[論文レビュー] Demonstration of a length control system for ALPS II with a high finesse 9.2 m cavity

J. Pöld, Aaron Spector|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、532 nm光を用い、ピエゾ駆動ミラーを備えた9.2 mの高ファインネス光キャビティ（ファインネス = 101,300 ± 500）に対して、高帯域幅の長さ安定化システムを実証した。これにより、差分長さノイズが0.6 pm RMS未満に抑えられ、ALPS IIの厳しい安定性要件を満たした。システムは4 kHzのユニティゲイン帯域幅を持つフィードバックループを採用し、将来的な軸子様粒子探索における制御戦略の妥当性を検証した。

ABSTRACT

Light-shining-through-a-wall experiments represent a new experimental approach to search for undiscovered elementary particles not accessible with accelerator based experiments. The next generation of these experiments, such as ALPS II, require high finesse, long baseline optical cavities with fast length control. In this paper we report on a length stabilization control loop used to keep a cavity resonant with light at a wavelength of 532nm. It achieves a unity-gain-frequency of 4kHz and actuates on a mirror with a diameter of 50.8mm. This length control system was implemented on a 10m cavity and its projected performance meets the ALPS II requirements. The finesse of this cavity was measured to be 93,800$\pm$500 for 1064nm light, a value which is close to the design requirements for the ALPS II regeneration cavity.

研究の動機と目的

• ALPS II再生成キャビティ（RC）の長さ安定化要件を、9.2 mの高ファインネスキャビティを用いて検証すること。
• 軸子様粒子検出に向けた厳しい安定性条件下でも共鳴を維持できる制御システムを実証すること。
• RCとプロダクションキャビティ間の差分長さ安定性を制限するノイズ源を特定・低減すること。
• 1064 nm光子の再生成に干渉しないよう、RCにおける長さセンシングに532 nm光を用いる可能性を検証すること。

提案手法

• 高反射ミラーを用いて、ファインネス101,300 ± 500の9.2 mの光キャビティを構築し、Pound-Drever-Hall（PDH）フィードバックループで安定化した。
• 1064 nm光源から周波数倍算された532 nmレーザー光を用い、PDH誤差信号によりキャビティ長をセンシングした。
• 背面ミラー（RCO）に高帯域幅のピエゾアクチュエータを装着し、キャビティ長の変動を能動的に補正した。
• 二重フィードバックを採用：532 nm光による長さ制御と、透過測定による1064 nmレーザー周波数のキャビティへのロック。
• ループ外ノイズは、532 nmと1064 nmレーザー間のビートノート信号を比較して測定し、40 Hz以上でループゲインが制限された。
• ノイズ源の分析は、ループ内とループ外の測定を比較することで実施し、アライメント誤差とミラー表面粗さが主な寄与要因であることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 532 nmフィードバックループは、ALPS IIcの要件である<0.6 pm RMSの差分長さ安定性を達成できるか？
• RQ2 高ファインネスキャビティにおける長さ安定性を制限する主なノイズ源は何か？（特にライト・シャイニング・スルー・ア・ウォール実験用に。）
• RQ3 キャビティ長に対するアクチュエータ駆動が、特に低周波帯域におけるループ外ノイズに与える影響は？
• RQ4 1064 nmレーザーへの周波数フィードバックは、ループ外長さノイズをALPS IIの要件以下に低下させられるか？
• RQ5 ミラー表面粗さと532 nmおよび1064 nm固有モードのモードミスマッチが、差分長さノイズに及ぼす寄与度はどの程度か？

主な発見

• 1064 nmにおける9.2 mキャビティのファインネスは101,300 ± 500と測定され、光子の蓄積時間は1.99 ± 0.01 msであった。
• 長さ安定化ループはユニティゲイン帯域幅4 kHzを達成し、長さノイズの有効な抑制が可能であった。
• 長さフィードバックを施した状態での差分長さノイズは1 mHzで3.5 pm RMSであったが、これはALPS IIの要件（0.6 pm RMS）を上回っていた。
• 1064 nmレーザーへの周波数フィードバックにより、ループ外ノイズは1.3 mHz RMSに低下し、1.3 mHzまでALPS II要件を満たした。
• 40 Hz以上のループ外ノイズはループゲインの制限によって制限されており、デジタルコントローラーをバイパスすることで電子ノイズが低減した。
• ピエゾアクチュエータ駆動に起因する異常なループ外ノイズ増加は、アライメントノイズおよびミラー表面粗さに起因すると特定され、より高品質なミラーまたは代替制御戦略の導入が求められることが示唆された。