[論文レビュー] Laser frequency stabilisation via quasi-monolithic, unequal arm-length Mach-Zehnder interferometer with balanced DC readout

Oliver Gerberding, Katharina-Sophie Isleif+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、外部キャビティ半導体レーザーの安定化を目的として、バランスドDC読み出しを備えた準モノリシックでアーム長が不等なマハチンツォンダー干渉計を提案する。光学的設計とシミュレーションにより、熱的ドリフトと不要光を最小限に抑え、1 Hzで100 Hz/√Hz未満のレーザー周波数ノイズを達成した。これは、ヨウ素安定化基準と比較したビートノートにより、LISAミッションの100 mHzまで300 Hz/√Hzのプレスタビライゼーション要件を満たしている。

ABSTRACT

Low frequency high precision laser interferometry is subject to excess laser-frequency-noise coupling via arm-length differences which is commonly mitigated by locking the frequency to a stable reference system. This approach is crucial to achieve picometer level sensitivities in the 0.1 mHz to 1 Hz regime, where laser frequency noise is usually high and couples into the measurement phase via arm-length mismatches in the interferometers. Here we describe the results achieved by frequency stabilising an external cavity diode laser to a quasi-monolithic unequal arm-length Mach-Zehnder interferometer read out at mid-fringe via balanced detection. We find this stabilization scheme to be an elegant solution combining a minimal number of optical components, no additional laser modulations and relatively low frequency noise levels. The Mach-Zehnder interferometer has been designed and constructed to minimize the influence of thermal couplings and to reduce undesired stray light using the optical simulation tool ifocad. We achieve frequency-noise levels below 100 Hz/$\sqrt{ extrm{Hz}}$ at 1 Hz and are able to demonstrate the LISA frequency prestabilization requirement of 300 Hz/$\sqrt{ extrm{Hz}}$ down to frequencies of 100 mHz by beating the stabilized laser with an iodine-locked reference.

研究の動機と目的

• 干渉計におけるアーム長の不一致に起因する低周波レーザー周波数ノイズの結合を低減すること。
• 最小限の光学部品で構成されるコンactかつ耐障害性の高いレーザー周波数安定化方式の開発。
• 100 mHzまで300 Hz/√Hz未満の周波数ノイズレベルを達成し、LISAミッションの要件を満たすこと。
• シミュレーションツールを用いて、干渉計設計における熱的ドリフトおよび不要光の影響を最小限に抑えること。
• 追加のレーザー変調や複雑なフィードバックループを必要としない安定で低ノイズのレーザー源の実証。

提案手法

• 安定な光学基準を提供するため、不等なアーム長を持つ準モノリシックマハチンツォンダー干渉計の設計および製造。
• 干渉計の中間フレア領域でのバランスドDC検出を実装し、信号対ノイズ比と安定性を向上。
• ifocad光学シミュレーションツールを用いて干渉計のレイアウトを最適化し、熱的クロストークおよび不要光を低減。
• ビートノート比較とノイズ特性評価のため、ヨウ素安定化周波数基準にロックされた基準レーザーを採用。
• フィードバック制御により外部キャビティ半導体レーザー（ECDL）を干渉計出力に安定化させ、周波数ドリフトを最小限に抑える。
• 安定化されたECDLとヨウ素安定化基準との間のビートノートを用いた、レーザー周波数ノイズの特性評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準モノリシックでアーム長が不等なマハチンツォンダー干渉計は、最小限の部品でレーザー周波数安定化のための安定な光学基準を提供できるか？
• RQ2 中間フレア領域でのバランスドDC読み出しは、従来手法と比較して低周波ノイズをどの程度低減し、安定性を向上させられるか？
• RQ3 本システムは、宇宙用重力波探査（LISA）に必要な、100 mHzまで300 Hz/√Hzのレーザー周波数ノイズレベルを達成できるか？
• RQ4 光学シミュレーション（ifocad）は、干渉計設計における熱的および光学的クロストークをどの程度効果的に低減できるか？
• RQ5 レーザー変調を排除することで、システムは簡素化されつつも、低位相ノイズ性能を維持できるか？

主な発見

• 1 Hzで100 Hz/√Hz未満のレーザー周波数ノイズが測定され、LISA要件を著しく下回った。
• 本システムは、100 mHzまで300 Hz/√Hz未満の周波数ノイズレベルを達成し、LISAのプレスタビライゼーション要件を満たした。
• 準モノリシック設計により、熱的ドリフトおよび機械的不安定性が低減され、長期的な安定性が向上した。
• バランスドDC読み出しにより、追加のレーザー変調を必要とせず、高感度な位相検出が可能になった。
• 光学シミュレーションのおかげで干渉計の性能が向上し、不要光および熱的クロストークが低減された。
• 最小限の部品数で高い精度を達成し、コンパクトかつ耐障害性の高いレーザー安定化ソリューションを提供した。