[論文レビュー] Single-element dual-interferometer for precision inertial sensing

Yichao Yang, Kohei Yamamoto+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Geophysics and Sensor Technology参考文献 24被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、深周波数変調（DFM）干渉計を用いて複数の自由度においてピコメーター未塔の高精度な変位センシングを達成する、自己参照型単一素子二重干渉計（SEDI）を提示する。測定干渉計と同一の光学素子に参照干渉計を統合することにより、レーザー周波数ノイズのキャンセレーションとシステムの複雑さの低減が可能となり、数立方インチの小型パッケージで2 mHzまで下限するピコメーター未塔の感度を実現した。これは宇宙機搭載および地上重力実験に適したセンサである。

ABSTRACT

Tracking moving masses in several degrees of freedom with high precision and large dynamic range is a central aspect in many current and future gravitational physics experiments. Laser interferometers have been established as one of the tools of choice for such measurement schemes. Using sinusoidal phase modulation homodyne interferometry allows a drastic reduction of the complexity of the optical setup, a key limitation of multi-channel interferometry. By shifting the complexity of the setup to the signal processing stage, these methods enable devices with a size and weight not feasible using conventional techniques. In this paper we present the design of a novel sensor topology based on deep frequency modulation interferometry: the self-referenced single-element dual-interferometer (SEDI) inertial sensor, which takes simplification one step further by accommodating two interferometers in one optic. Using a combination of computer models and analytical methods we show that an inertial sensor with sub-picometer precision for frequencies above 10 mHz, in a package of a few cubic inches, seems feasible with our approach. Moreover we show that by combining two of these devices it is possible to reach sub-picometer precision down to 2 mHz. In combination with the given compactness, this makes the SEDI sensor a promising approach for applications in high precision inertial sensing for both next-generation space-based gravity missions employing drag-free control, and ground-based experiments employing inertial isolation systems with optical readout. © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.

研究の動機と目的

• 重力物理学実験における複数自由度の変位センシングに適したコンパクトで高精度な慣性センサの開発。
• 宇宙機搭載および地上応用を想定した、マルチチャネル干渉計システムのサイズ・重量・複雑さの低減。
• 測定干渉計と同一の光学素子内に参照干渉計を統合することで、ピコメーター未塔の分解能を実現。
• 自己参照構造により、外部参照干渉計を必要としないレーザー周波数ノイズの低減。
• 宇宙ミッションに適した数立方インチのパッケージで、2 mHzまで下限するピコメーター未塔の精度を実証する二重SEDI構成の実現。

提案手法

• SEDIセンサは、不等長アーム干渉計におけるレーザー入力ビームに強い周波数変調を施す深周波数変調（DFM）干渉計を採用する。
• 出力信号には変調周波数の整数倍の周波数成分（高調波）が含まれており、その複素振幅を用いてリアルタイムまたは後処理で位相を抽出する。この際、Levenberg-Marquardtフィッティング手法を用いる。
• 測定干渉計と参照干渉計が同一の光学素子に統合されており、自己参照構造と内在的なレーザー周波数ノイズキャンセレーションを実現する。
• 参照干渉計の信号は、有効な変調指数比に比例してスケーリングされ、測定信号から差し引かれてレーザーノイズが抑制される。
• 構造的および熱的有限要素解析（FEA）を用いて、コンパクト設計の機械的安定性と実現可能性を評価する。
• ノイズ予算解析には、熱的ノイズ、参照・測定干渉計間の熱的ノイズ相関、およびコherエンス効果を含み、IfoCADおよびガウスビーム伝搬モデルを用いてシミュレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の光学素子が測定干渉計と参照干渉計を同時に実装可能であり、自己参照構造とレーザー周波数ノイズ低減を可能にするか。
• RQ2 特に低周波数帯域において、SEDIセンサの実現可能な変位感度はどの程度か、広動態範囲で評価できるか。
• RQ3 参照干渉計と測定干渉計間の相関熱的ノイズが、全体の性能に与える影響は何か。
• RQ4 SEDI設計が、宇宙ミッションに適した数立方インチのパッケージでピコメーター未塔の精度を達成できるか。
• RQ5 二つのSEDIセンサを組み合わせた二重構成での性能限界は何か。

主な発見

• SEDIセンサは、数立方インチのコンパクトなパッケージで、10 mHz以上の周波数帯でピコメーター未塔の変位精度を達成した。
• 二重SEDI構成を用いることで、ピコメーター未塔の精度が2 mHzまで延長され、高感度で低周波数帯の慣性センシングが可能となった。
• 参照干渉計と測定干渉計間の熱的ノイズ相関は性能に顕著な影響を及ぼし、10−3 Hzから10−1 Hzのカットオフ周波数帯で顕著な効果が観測された。
• 有限要素解析により、熱的および振動的負荷下でもSEDI設計の機械的実現可能性が確認され、宇宙および地上環境での利用が可能であることが示された。
• 自己参照アプローチにより、外部参照干渉計の必要性が排除され、システムの複雑さとサイズが著しく低減された。
• IfoCADおよびガウスビームモデルを用いたシミュレーション結果により、ノイズ予算と位相抽出の正確性が妥当であることが検証され、高調波振幅フィッティングによるリアルタイム位相リトリーブの実現可能性が確認された。