[논문 리뷰] Demonstration of a length control system for ALPS II with a high finesse 9.2 m cavity

J. Pöld, Aaron Spector|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 18인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 532 nm 빛과 피에조 액추에이터를 장착한 거울을 사용하여 9.2 m 높은 품질 인자(optical cavity)에 대해 고대역폭 길이 안정화 시스템을 구현하였으며, 품질 인자는 101,300 ± 500이다. 이 시스템은 차등 길이 노이즈를 0.6 pm RMS 이하로 유지하여 ALPS II의 엄격한 안정성 요구 조건을 충족시켰다. 피드백 루프는 4 kHz의 단일 이득 대역폭을 가지며, 향후 ALPS IIc에서 악시온 유사 입자 탐색을 위한 제어 전략을 검증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• ALPS II 재생 공진기(RC)의 길이 안정화 요구 조건을 9.2 m 높은 품질 인자 공진기를 사용하여 검증한다.
• 악시온 유사 입자 탐지에 필요한 엄격한 안정 조건을 만족시키는 제어 시스템을 구현한다.
• RC와 생산 공진기 사이의 차등 길이 안정성에 영향을 주는 노이즈 원인을 특성화하고 제거한다.
• 1064 nm 광자를 재생하는 데 영향을 주지 않도록 532 nm 빛을 사용한 길이 측정의 가능성을 시험한다.

제안 방법

• 고반사성 거울을 사용하여 품질 인자가 101,300 ± 500인 9.2 m 광학 공진기를 제작하였으며, Pound-Drever-Hall(PDH) 피드백 루프를 통해 안정화하였다.
• 1064 nm 소스에서 주파수를 두 배로 증폭한 532 nm 레이저 빛을 사용하여 PDH 오차 신호를 통해 공진기 길이를 측정하였다.
• 후면 거울(RCO)에 고대역폭 피에조 액추에이터를 부착하여 공진기 길이 변동을 능동적으로 보정하였다.
• 이중 피드백을 적용: 532 nm 빛을 이용한 길이 제어와 전송 측정을 통한 1064 nm 레이저 주파수 공진기 고정.
• 루프 외부 노이즈는 532 nm 및 1064 nm 레이저 간의 비트노트 신호를 비교하여 측정하였으며, 루프 이득은 40 Hz 이상에서 제한되었다.
• 노이즈 원인 분석은 루프 내 및 루프 외 측정을 비교하여 수행하였으며, 정렬 오차와 거울 표면 영향이 주요 기여 요소로 밝혀졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 532 nm 피드백 루프가 ALPS IIc의 요구 조건인 <0.6 pm RMS 이하의 차등 길이 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 고품질 인자 공진기를 사용한 빛을 벽을 관통시키는 실험에서 길이 안정성에 영향을 주는 주요 노이즈 원인은 무엇인가?
• RQ3 공진기 길이에 대한 액추에이션은 저주파 대역에서 루프 외부 노이즈에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 1064 nm 레이저에 주파수 피드백을 적용하면 루프 외부 길이 노이즈를 ALPS II 요구 조건 이하로 낮출 수 있는가?
• RQ5 거울 표면의 거칠이 및 532 nm와 1064 nm 고유모드 간의 모드 불일치가 차등 길이 노이즈에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 1064 nm에서 9.2 m 공진기의 품질 인자는 101,300 ± 500로 측정되었으며, 에너지 저장 시간은 1.99 ± 0.01 ms였다.
• 길이 안정화 루프는 4 kHz의 단일 이득 대역폭을 달성하여 길이 노이즈를 효과적으로 억제하였다.
• 길이 피드백이 적용된 상태에서의 차등 길이 노이즈는 1 mHz에서 3.5 pm RMS였으며, ALPS II 요구 조건인 0.6 pm RMS를 초과하였다.
• 1064 nm 레이저에 주파수 피드백을 적용함으로써 루프 외부 노이즈는 1.3 mHz RMS로 감소하여 ALPS II 요구 조건을 1.3 mHz까지 충족시켰다.
• 40 Hz 이상의 루프 외부 노이즈는 루프 이득에 의해 제한되었으며, 디지털 컨트롤러를 우회함으로써 전자기 노이즈가 감소하였다.
• 피에조 액추에이터 작동으로 인한 루프 외부 노이즈의 이례적 증가는 정렬 노이즈와 거울 표면 거칠기로 기인하였으며, 이는 향상된 거울 품질 또는 다른 제어 전략의 필요성을 시사한다.