[논문 리뷰] Self-calibrating ultra-low noise, wide-bandwidth optomechanical accelerometer

Felipe Guzmán Cervantes, Lee Kumanchik외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 05.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 시험 질량의 기계적 변위를 광학적 위상 이동으로 변환하기 위해 패배-페로르 섬유 광학 미세공을 사용하는 자기 캘리브레이션 기능이 있는 초저잡음 옵티omechanical 가속도계를 제시한다. 이는 정밀한 길이 측정을 통해 SI에 추적 가능하며, 10 kHz 대역폭에서 100 ng/√Hz의 감도를 달성한다. 장치는 고mQ-곱수 기계 진동자와 단순한 광학 검출 방식을 활용하여 지구물리학 및 중력 측정 분야에서 고정밀 가속도 측정을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기본 물리학 및 지구물리학 분야의 정밀 측정을 위한 고감도, 추적 가능한 가속도계 개발
• 기계적 가속도계에서 초저잡음과 장기 안정성의 동시 달성에 도전하는 것
• SI 추적 가능성을 위한 내재된 광학적 길이 측정을 통한 자기 캘리브레이션 가능화
• 최대 10 kHz 대역폭에서 100 ng/√Hz 이하의 나노기울기 감도로 작동하는 것의 실증
• 지구물리학 및 중력 측정 분야에서 기준 가속도 측정을 위한 컴act하고 견고한 플랫폼 제공

제안 방법

• 시험 질량의 기계적 변위를 광학적 위상 이동으로 변환하기 위해 패배-페로르 섬유 광학 미세공을 활용한다.
• 열적 및 기계적 잡음을 최소화하기 위해 고mQ-곱수 기계 진동자를 활용한다.
• 공진자 길이 변화의 간섭 검출 기반 단순한 광학 검출 방식을 적용한다.
• 공진자 길이를 SI에 대한 추적 가능성을 위한 기준으로 사용하여 자기 캘리브레이션을 실현한다.
• 성능을 손상시키지 않은 채 소형화를 위해 컴팩트한 섬유 광학 부품을 통합한다.
• 고 Q 인성 및 낮은 감쇠를 위한 기계적 및 광학적 설계 최적화를 통해 넓은 대역폭을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 옵티omechanical 가속도계가 10 kHz 대역폭에서 SI 추적 가능성을 갖는 100 ng/√Hz 이하의 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 패배-페로르 미세공은 통합된 장치에서 고감도와 자기 캘리브레이션을 동시에 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 mQ-곱수는 가속도계의 잡음 성능을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 소형 섬유 기반 설계는 현장 응용을 위한 고감도 및 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 광학적 길이 측정은 외부 캘리브레이션 없이 SI에 대한 추적 가능성을 얼마나 높게 제공하는가?

주요 결과

• 가속도계는 10 kHz 대역폭에서 100 ng/√Hz의 감도를 달성하여 넓은 대역폭 가속도 측정에서 뛰어난 성능을 입증하였다.
• 패배-페로르 미세공은 200 am/√Hz의 감도로 변위 측정을 가능하게 하여 전체적인 낮은 잡음 수준에 기여하였다.
• 정밀한 공진자 길이 측정을 통해 SI 추적 가능성을 확보하여 자기 캘리브레이션을 실현하였다.
• 기계 진동자의 고mQ-곱수는 열적 및 기계적 잡음을 크게 감소시켜 감도 향상에 기여하였다.
• 소형 섬유 기반 설계는 높은 성능을 유지하면서도 지구물리학 및 중력 측정 분야에서의 실용적 구현 가능성을 제공하였다.
• 광학 검출 방식은 단순하고 견고하여 장기 안정성과 통합 용이성을 지원하였다.