[논문 리뷰] Noise level of a ring laser gyroscope in the femto-rad/s range

A. Di Virgilio, Francesco Bajardi외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 03.

Geophysics and Sensor Technology참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 GINGERINO 링 레이저 자이로스코프가 기존의 샷노이즈 예측보다 훨씬 낮은 노이즈 바닥을 달성하고, 1e-15 rad/s 근처의 민감도에 도달하며 단일 빔-스플리터의 두 출력 신호를 교차 비교함으로써 상한급 양자 노이즈 추정치를 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기본 물리학 및 지구물리학 연구를 위한 대 프레임 링 레이저 자이로스코프로의 고정밀 절대 회전 측정 동기 부여.
• 카운터프로파게이팅 빔이 결합되는 회전 공동에서 전통적인 독립 빔 샷노이즈 한계가 성립하는지 조사.
• 단일 빔-스플리터 출력에서 두 비트를 교차 상관하여 작동 중인 RLG 프로토타입의 확률적 노이즈 바닥을 직접 추정.
• GR 및 기본 물리학 테스트의 가능성을 평가하기 위해 주파수 영역 및 시간 영역의 노이즈 거동을 특성화

제안 방법

• 단일 빔-스플리터 출력으로 카운터프로파게이팅 빔에서 두 개의 등가 빙의 신호를 생성한다.
• 광다이오드 출력으로부터 주파수 신호를 계산하고 차이를 형성하여 공통 노이즈를 제거하고 내부 양자 노이즈의 상한을 추정한다.
• 힐베르트 변환 기반 재구성을 사용하여 Sagnac 주파수와 그 노이즈를 추출하고, 흰 주파수 노이즈, 흰 위상 노이즈, 위상 확산 노이즈를 포함한다.
• 재구성된 각도 주파수 신호와 그 노이즈 바닥을 ASD 및 Allan 편차를 통해 비교하여 유효한 노이즈 바닥을 파악한다.
• 민감도를 각도 회전 속도 측면으로 표현하고 Sagnac 관계를 통해 지구 회전 규모의 신호와의 관련성을 설명한다

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 빔-스플리터의 동등한 출력 두 가지를 비교할 때 대형 프레임 링 레이저 자이로스코프의 실제 노이즈 바닥은 무엇이며, 예측된 샷노이즈 한계와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 GINGERINO가 서브-샷노이즈 민감도를 달성할 수 있는가, 지구물리학 및 기본 물리학 측정에 중요한 저주파 영역에서 지배적인 노이즈 과정은 무엇인가?
• RQ3 화이트 주파수 노이즈, 화이트 위상 노이즈, 위상 확산 등 서로 다른 노이즈 모델이 RLG 데이터의 힐베르트-변환 주파수 재구성에 어떻게 전달되는가?
• RQ4 측정된 ASD 및 Allan 편차가 GR 효과 또는 기타 기본 물리 신호를 탐지하기 위한 다중 센서 RLG 배열의 가능성에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 실험은 단일 빔-스플리터 출력으로 두 개의 등가 빙 신호를 평가하여 링 레이저의 기존 샷노이즈 예측보다 낮은 한계 노이즈 바닥을 증명한다.
• 재구성된 저주파 노이즈 바닥은 prad/s per Hz^1/2 범위에 있으며, 이 장치들에 대한 기대 샷노이즈 수준보다 약 1ordre의 크기로 낮다.
• ASD 및 Allan 편차 분석은 긴 적분 시간에서 몇 prad/s per second의 노이즈 레벨을 나타내며(예: 수 일 후 ~2.1e-? frad/s), RLG 배열을 사용할 때 지구 회전 규모의 민감도를 가능하게 한다.
• 고주파 데이터는 위상 노이즈 지배 꼬리를 특징적으로 보여 주며, 순수한 광자 샷 노이즈보다는 평탄한 위상 노이즈 성분과 일치한다.
• 결과는 회전 공동에서 카운터프로파게이팅 빔의 상호 의존적 동역학을 설명할 수 있는 완전한 양자 모델이 궁극적 민감도를 올바르게 예측하기 위해 필요하다는 실험적 증거를 제공한다.