[論文レビュー] Control System Design for the LIGO Pre-stabilized Laser

R. Abbott, P. M. King|ArXiv.org|Nov 20, 2001

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LIGOのプリステービライズドレーザー（PSL）のVMEベースのアナログおよびデジタル制御システムを提示し、PZT、TEC、ポッケルスセルアクチュエータを用いたアクティブな安定化により、レーザー周波数および振幅ノイズを1000倍低減することに成功した。これにより、2重ループの強度制御とパウンド＝ドリーヴァー＝ホール周波数ロックが実現された。システムは、10⁻⁷ Hz/√Hz未満の周波数ノイズと約10⁻⁸ /√Hzの強度ノイズを達成し、重力波検出に必要なLIGOのひずみ感度要件を満たしている。

ABSTRACT

To meet the strain sensitivity requirements [1], [2] of the Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), the laser frequency and amplitude noise must initially be reduced by a factor of 1000 in the pre-stabilized portion of the interferometer [3]. A control system was implemented to provide laser noise suppression, data acquisition interfaces, diagnostics, and operator control inputs. This paper describes the VME-based analog and digital controls used in the LIGO Pre-stabilized Laser (PSL).

研究の動機と目的

• 100 Hzで10⁻¹⁹ m/√Hz未満のLIGOのひずみ感度要件を満たすために、レーザー周波数および振幅ノイズを1000倍低減すること。
• 複数のアクチュエータとフィードバックループを用いて、レーザー周波数および強度を安定化する耐障害性の高い制御システムを設計すること。
• 高帯域幅のノイズ低減を実現するため、内側および外側のフィードバック経路を持つ2重ループ強度安定化システムを実装すること。
• アクチュエータの帯域幅を管理し、PZTの機械的共振周波数周辺での自己持続的発振を防ぐことで、閉ループ安定性を確保すること。
• EPICSおよびIOCベースのインターフェースを用いて、リアルタイム診断、リモートオペレータ制御、自動再ロックを可能にすること。

提案手法

• 700 mWの非平面ループ発振器をマスターソースとするマスターオシレーター・パワー増幅器（MOPA）構成を採用する。
• レーザーをキャビティ共鳴にロックするために、PZT制御ミラーを備えたプレモードクリーナ（PMC）を受動的バンドパスフィルタとして使用する。
• 周波数基準として、21.5 MHzの位相変調と高 finesse のファブリ・ペロー・キャビティを用いたパウンド＝ドリーヴァー＝ホール技術を適用する。
• 周波数アクチュエータとして3種類を用いる：TEC（0.1 Hz〜1 Hz）、PZT（DC〜10 kHz）、ポッケルスセル（高速、10 kHz以上）。これらにより広帯域安定化を実現する。
• 内側および外側のフォトダイオードフィードバック経路を持つ2重ループ強度サーボを実装し、電流シャントを用いてポンプダイオード電流を制御する。
• EPICSベースの制御システムを採用し、vxWorks上で動作するBaja4700E IOCを用いて、リアルタイムのデータ取得、制御、ユーザインタフェースを管理する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 Hzで10⁻⁷ Hz/√Hz未満のレーザー周波数ノイズを達成するには、どのようにすればLIGOのひずみ感度要件を満たせるか？
• RQ2 複数のデケードにわたる帯域幅にわたり、周波数および強度ノイズを安定化させるために、どのような制御アーキテクチャが必要か？
• RQ3 特にPZTの機械的共振周波数周辺での不安定性を防ぐために、アクチュエータの帯域幅をどのように管理すればよいか？
• RQ4 25 MHzの変調周波数において、受動的フィルタリング（PMC）が、ショットノイズ制限の強度ノイズを達成するために果たす役割は何か？
• RQ5 高精度レーザー制御環境において、自動的かつ信頼性の高いロック再取得とシステム診断をどのように実現できるか？

主な発見

• PSL制御システムは、重力波検出に必要なひずみ感度を満たすために、レーザー周波数および振幅ノイズを1000倍低減することに成功した。
• PZT、TEC、ポッケルスセルアクチュエータを組み合わせ、帯域幅を慎重に管理することで、100 Hzで10⁻⁷ Hz/√Hz未満の周波数ノイズが達成された。
• 電流シャントを用いた2重ループサーボにより、強度ノイズが約10⁻⁸ /√Hzまで安定化された。
• PZTアクチュエータ経路は10 kHz以降で急激にロールオフされ、ポッケルスセルが飽和した場合に発生する可能性のある自己持続的発振を回避するためのものである。
• TEC制御が継続的に行われているため、ロックを失った場合でも、即座に再ロックが可能となった（PZTのダイナミックレンジ内にレーザーが維持されていたため）。
• 16 kHzおよび256 Hzのレートでのデータ取得に加え、EPICSベースのリモート監視により、完全なシステム診断とリアルタイム制御が可能となった。