[논문 리뷰] Single-element dual-interferometer for precision inertial sensing

Yichao Yang, Kohei Yamamoto외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Geophysics and Sensor Technology참고 문헌 24인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 다중 자유도에서 이동량 측정의 해상도가 피코미터 이하인 고정밀 이동량 측정을 달성하기 위해 깊은 주파수 변조(DFM) 간섭계 기술을 사용하는 자기참조형 단일 요소 双간섭계(SEDI)를 제안한다. 측정 간섭계와 동일한 광학 요소 내에 기준 간섭계를 통합함으로써 SEDI는 레이저 주파수 노이즈를 보상하고 시스템 복잡성을 줄이며, 몇 인치 세제곱 이내의 소형 패키지에서 2 mHz까지의 해상도로 피코미터 이하의 감도를 달성한다. 이는 우주 기반 및 지상 기반 중력 임무에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 중력 물리 실험에서 다중 자유도 이동량 측정을 위한 소형·고정밀 관성 센서 개발
• 우주 기반 및 지상 기반 응용 분야에서 다중 채널 간섭계 시스템의 크기, 무게, 복잡성 감소
• 측정 간섭계와 동일한 광학 요소 내에 기준 간섭계를 통합하여 피코미터 이하의 해상도 달성
• 자기참조 기반으로 레이저 주파수 노이즈를 억제하여 외부 기준 간섭계의 필요성을 제거
• 이중-SEDI 구성으로 2 mHz까지의 피코미터 이하 정밀도의 실현 가능성을 입증

제안 방법

• SEDI 센서는 불균형 길이 간섭계에서 강한 주파수 변조를 레이저 입력 빔에 적용하는 깊은 주파수 변조(DFM) 간섭계 기술을 사용한다.
• 출력 신호에는 변조 주파수의 배수인 고조파 성분이 포함되며, 이들의 복소 진폭은 실시간 또는 후처리를 통해 레븐버그-마르카르트 피팅 절차를 이용해 위상을 추출하는 데 사용된다.
• 측정 간섭계와 기준 간섭계가 동일한 광학 요소에 통합되어 있어 자기참조 기반 및 내재된 레이저 주파수 노이즈 보정이 가능하다.
• 기준 간섭계의 신호는 유효 변조 지수의 비율에 따라 스케일링되어 측정 신호에서 빼져 레이저 노이즈를 억제한다.
• 구조적 및 열적 유한요소 해석(FEA)을 통해 소형 설계의 기계적 안정성과 실현 가능성을 평가한다.
• 노이즈 예산 분 析에는 열, 열 노이즈 상관관계, 기준 간섭계와 측정 간섭계 간의 간섭성 효과가 포함되며, 결과는 IfoCAD 및 가우시안 빔 전파 모델을 사용해 시뮬레이션된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 광학 요소 내에 측정 간섭계와 기준 간섭계를 통합하여 자기참조 기반 및 레이저 노이즈 억제를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 저주파수 영역에서, 특히 저주파수에서 SEDI 센서의 이동량 감도는 어떤 수준에 도달할 수 있는가?
• RQ3 기준 간섭계와 측정 간섭계 간의 상관된 열 노이즈가 전체 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SEDI 설계는 우주 임무에 적합한 몇 인치 세제곱 이내의 패키지에서 피코미터 이하 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 이중 구성으로 두 개의 SEDI 센서를 조합했을 때의 성능 한계는 무엇인가?

주요 결과

• SEDI 센서는 몇 인치 세제곱 이내의 소형 패키지에서 10 mHz 이상의 주파수에서 피코미터 이하의 이동량 정밀도를 달성한다.
• 이중-SEDI 구성으로 피코미터 이하 정밀도가 2 mHz까지 연장되어 고감도 저주파 관성 측정이 가능해진다.
• 기준 간섭계와 측정 간섭계 간의 열 노이즈 상관관계는 성능에 상당한 영향을 미치며, 절단 주파수 10−3 Hz에서 10−1 Hz 사이에서 측정 가능한 영향을 보인다.
• 유한요소 해석은 열 및 진동 하중 하에서 SEDI 설계의 기계적 실현 가능성을 확인하며, 이는 우주 및 지상 기반 환경에서의 활용 가능성을 뒷받침한다.
• 자기참조 기반 접근법은 외부 기준 간섭계의 필요성을 제거하여 시스템의 복잡성과 크기를 크게 줄인다.
• IfoCAD 및 가우시안 빔 모델을 사용한 시뮬레이션 결과는 노이즈 예산과 위상 추출 정확도를 검증하며, 고조파 진폭 피팅을 통한 실시간 위상 복원의 실현 가능성을 확인한다.