[論文レビュー] Self-calibrating ultra-low noise, wide-bandwidth optomechanical accelerometer

Felipe Guzmán Cervantes, Lee Kumanchik+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2013

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ファブリペロー光ファイバー・マイクロキャビティを用いて、10 kHz帯域幅で100 ng/√Hzの感度を達成する自己キャリブレーション可能で超低雑音のオプトメカニカル加速度計を提案する。長さ測定の高精度な測定によるSIへのトレーサビリティを実現している。本装置は高mQ積の機械的共振器とシンプルな光学検出方式を活用し、地震学および重力測定における高精度な加速度測定を実現する。

ABSTRACT

We present an optically-detected mechanical accelerometer that achieves a sensitivity of 100 ng/rtHz over a bandwidth of 10kHz and is traceable. We have incorporated a Fabry-Perot fiber-optic micro-cavity that is currently capable of measuring the test-mass displacement with sensitivities of 200 am/rtHz, and whose length determination enables traceability to the International System of Units (SI). The compact size and high mQ-product achieved combined with the high sensitivity and simplicity of the implemented optical detection scheme highlight our device and this category of accelerometers, outlining a path for high sensitivity reference acceleration measurements and observations in seismology and gravimetry.

研究の動機と目的

• 基礎物理学および地球物理学分野における高精度測定に適した高感度でトレーサブルな加速度計の開発を目的とする。
• 機械的加速度計において、超低雑音と長期安定性の両立を達成する挑戦に応えること。
• SIトレーサビリティを実現するため、内在的な光学的長さ測定による自己キャリブレーションを可能にする。
• 10 kHzまでの広帯域動作を実現し、ナノグラム未満の感度を達成すること。
• 地震学および重力測定分野における基準加速度測定用に、コンactかつ頑丈なプラットフォームを提供すること。

提案手法

• テストマスの機械的変位を光学的位相差に変換するために、ファブリペロー光ファイバー・マイクロキャビティを用いる。
• 熱的・機械的雑音を最小限に抑えるために、高mQ積の機械的共振器を採用する。
• キャビティ長の変化を干渉計的読み取りによって検出するシンプルな光学検出方式を採用する。
• キャビティ長を基準としてSIへのトレーサビリティを実現し、自己キャリブレーションを可能にする。
• コンactな光ファイバー部品を統合することで、性能を損なわずに小型化を実現する。
• 高Qファクターおよび低減衰を実現するための機械的および光学的設計最適化により、広帯域を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オプトメカニカル加速度計は、10 kHz帯域幅でSIトレーサビリティを備えた100 ng/√Hz未満の感度を達成できるか？
• RQ2 ファブリペローマイクロキャビティは、統合型デバイスにおいて高感度と自己キャリブレーションの両立をどのように実現できるか？
• RQ3 mQ積が加速度計の雑音性能に果たす役割は何か？
• RQ4 コンパクトでファイバー駆動の設計は、現場応用においても高感度と安定性を維持できるか？
• RQ5 光学的長さ測定は、外部キャリブレーションを要せず、SIトレーサビリティをどの程度実現できるか？

主な発見

• 加速度計は10 kHz帯域幅で100 ng/√Hzの感度を達成し、広帯域加速度測定において優れた性能を示した。
• ファブリペローマイクロキャビティにより、200 am/√Hzの高感度で変位測定が可能となり、全体の低雑音フロアに寄与した。
• キャビティ長の高精度測定によりSIトレーサビリティを実現し、自己キャリブレーションを可能にした。
• 機械的共振器の高mQ積により、熱的・機械的雑音が顕著に低減され、感度が向上した。
• コンパクトでファイバー駆動の設計は、高い性能を維持しながら、地震学および重力測定分野における実用的導入を可能にした。
• 光学検出方式はシンプルかつ耐障害性が高く、長期安定性と統合の容易さを実現した。