[論文レビュー] Compact Michelson interferometers with subpicometer sensitivity

J. Smetana, Rebecca Walters+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、深淵周波数変調とレーザー周波数安定化を用いて、0.1 Hzを超える周波数で0.3 pm/√Hzのサブピコメーター位相感度を達成する、コンactで商業的に製造されたミケルソン干渉計を提示する。システムは干渉縞カウンティングにより複数の縞にわたる干渉応答を線形化し、1つのセンシングヘッドを周波数基準として用いることでレーザー雑音を低減し、重力波検出器やその他の高精度実験に適した高精度位相測定を実現する。

ABSTRACT

The network of interferometric gravitational-wave observatories has successfully detected tens of astrophysical signals since 2015. In this paper, we experimentally investigate compact sensors that have the potential to improve the sensitivity of gravitational-wave detectors to intermediate-mass black holes. We use only commercial components, such as sensing heads and lasers, to assemble the setup and demonstrate its subpicometer precision. The setup consists of a pair of Michelson interferferometers that use deep frequency modulation techniques to obtain a linear, relative displacement readout over multiple interference fringes. We implement a laser-frequency stabilisation scheme to achieve a sensitivity of 0.3\,$ ext{pm} / \sqrt{ ext{Hz}}$ above 0.1\,Hz. The device has also the potential to improve other experiments, such as torsion balances and commercial seismometers.

研究の動機と目的

• 30 Hz未満で読み取り雑音と制御フロアの制限を受ける現在の重力波検出器用位相センサの根本的限界を克服する。
• 中質量ブラックホールや他の低周波数天体物理学的信号を検出するための感度向上を目的として、商業的部品のみを用いたコンパクトで低コストの位相センサを開発する。
• 周波数変調と基準に基づく安定化により、干渉位相測定における非線形性とレーザー周波数雑音を克服する。
• デジタルドメインへの複雑さの移行により、既存インfraに実用的に統合可能でありながら高精度を維持する。
• 次世代センサ、例えば6次元地震計やLIGOの高度なサスペンションシステムへの適用可能性を実証する。

提案手法

• 商業的センシングヘッドとレーザーを用いた二重ミケルソン干渉計構成を採用し、相対的位相変位を測定する。
• レーザーに深淵周波数変調を適用し、複数の干渉縞にわたる干渉応答を線形化することで、センサのダイナミックレンジを拡大する。
• 複数の縞にわたる絶対的位相変位を解消するための干渉縞カウンティングアルゴリズムを用いることで、位相測定の曖昧さを回避する。
• 1つのセンシングヘッドを基準として用いることで、周波数雑音の主要要因であるレーザー周波数雑音を抑制し、周波数安定化を実現する。
• 変調された干渉計信号から形成されるリサジュー図形から、楕円フィッティングに基づく簡素化されたリアルタイムアルゴリズムを用いて位相を抽出する。
• 円形および静的楕円フィッティングを用いて位相抽出における非線形性を評価し、高RMS位相変位条件下での影響を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで商業的に組み立てられたミケルソン干渉計が、市販部品のみを用いてサブピコメーター感度を達成できるか？
• RQ2 複雑なフィードバックループを用いずに、深淵周波数変調が複数の干渉縞にわたる干渉応答をどれほど効果的に線形化できるか？
• RQ3 1つのセンシングヘッドを周波数基準として用いることで、レーザー周波数雑音はどの程度低減できるか？
• RQ4 位相抽出における主要な非線形要因は何か、またそれらは位相変位の振幅にどのように依存するか？
• RQ5 このシステムは、既存の重力波検出器に実用的に統合可能であり、30 Hz未満での制御感度向上に寄与できるか？

主な発見

• 干渉計は0.1 Hzを超える周波数で0.3 pm/√Hzの位相感度を達成しており、既存のシャドウセンサーより顕著に向上している。
• 深淵周波数変調により、複数の干渉縞にわたる線形で相対的な位相変位読み取りが可能となり、センサのダイナミックレンジが拡大された。
• 1つのセンシングヘッドを基準として用いることで、レーザー周波数雑音が効果的に抑制され、全体の雑音予算への寄与が低減した。
• 静的楕円フィッティングを用いた非線形性は0.12% RMSで評価され、動的パrameter補正によりさらなる改善が可能である。
• このセンサは、位相変位振幅が小さいため線形性を維持できる、Advanced LIGOのクアッドラプルサスペンションのような低RMS応用に適している。
• センサのコンパクトな設計とデジタル信号処理への依存性から、既存の重力波検出器やその他の高精度計測機器への低インパクトなアップグレードが可能である。