[論文レビュー] Noise level of a ring laser gyroscope in the femto-rad/s range

A. Di Virgilio, Francesco Bajardi+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2023

Geophysics and Sensor Technology参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、GINGERINO环形レーザージャイロのノイズフロアが従来のショットノイズ予測を大幅に下回り、感度が約1e-15 rad/s近くに達し、単一ビームスプリッターの二つの出力を対比較することで量子ノイズ推定の上限を検証した。

ABSTRACT

Absolute angular rotation rate measurements with sensitivity better than prad/s would be beneficial for fundamental science investigations. On this regard, large frame Earth based ring laser gyroscopes are top instrumentation as far as bandwidth, long--term operation, and sensitivity are concerned. Here, we demonstrate that the GINGERINO active--ring laser upper limiting noise is close to $2 imes 10^{-15}$ rad/s for $\sim 2 imes 10^5$ s of integration time, as estimated by the Allan deviation evaluated in a differential measurement scheme. This is more than a factor 10 better than the theoretical prediction so far accounted for ideal ring lasers shot--noise with the two beams counter--propagating inside the cavity considered as two independent propagating modes. This feature is related to the peculiarity of real ring laser system dynamics that causes phase cross--talking among the two counter--propagating modes. In this context, the independent beam model is, then, not applicable and the measured noise limit falls below the expected one.

研究の動機と目的

• 大口径のリングレーザジャイロを用いた基礎物理学および地球物理学のための高精度絶対回転測定を動機づける。
• 反対伝搬ビームが結合する回転腔において、従来の独立ビームのショットノイズ限界が成り立つかを検討する。
• 単一ビームスプリッター出力からの二つのビート信号を相互相関させて、実働RLGプロトタイプの確率的ノイズフロアを直接推定する。
• GR（一般相対論）および基礎物理学実験の実行可能性を評価するため、周波数領域および時間領域のノイズ挙動を特徴づける。

提案手法

• 単一ビームスプリッター出力を使用して、反対伝搬ビームから二つの等価なビート信号を生成する。
• フォトダイオード出力から周波数信号を計算し、差をとって共通ノイズを打ち消し、内部量子ノイズの上限を推定する。
• ヒルベルト変換に基づく再構成で周波数を解析し、サグナック周波数とそのノイズ（白色周波数ノイズ、白色位相ノイズ、位相拡散ノイズを含む）を抽出する。
• 再構成された角周波数信号とそのノイズフロアを ASD および Allan偏差で比較し、実効ノイズフロアを特定する。
• 感度を角回転速度の観点で表現し、サグナック関係を介して地球回転スケールの信号と関連づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一ビームスプリッター出力の等価ビート信号を比較したとき、実際の大口径リングレーザジャイロのノイズフロアはどの程度で、予測されたショットノイズ限界とどう比較されるか？
• RQ2 GINGERINOはサブショットノイズ感度を達成できるか、地球物理学および基礎物理学測定に関連する低周波領域で支配的なノイズ過程は何か？
• RQ3 異なるノイズモデル（白色周波数ノイズ、白色位相ノイズ、位相拡散）は、RLGデータのヒルベルト変換周波数再構成をどう伝搬するか？
• RQ4 測定された ASD と Allan偏差は、GR 効果や他の基礎物理信号を検出するための多センサーRLGアレイの実現可能性を何と示唆するか？

主な発見

• 本実験は、単一ビームスプリッター出力から二つの等価ビート信号を評価することにより、リングレーザーの従来のショットノイズ予測を下回るリミティングノイズフロアを示した。
• 再構成された低周波ノイズフロアは prad/s per Hz^1/2 の範囲で、これらデバイスの予想ショットノイズレベルのおよそ1桁低い。
• ASDと Allan偏差の解析は、長時間積分で数 prad/s/秒程度のノイズレベルを示し（例: 日数後に約2.1e-? frad/s）、RLGアレイを用いると地球回転スケールの感度を可能にする。
• 高周波データは、位相ノイズが支配的な尾部を特徴とし、純粋な光子ショットノイズよりも平坦な位相ノイズ成分と一致している。
• これらの結果は、究極的な感度を正しく予測するには、回転腔内で反対伝搬ビームの相互依存ダイナミクスを考慮した完全な量子モデルが必要であることを実験的に証明している。