[论文解读] A Precision Gyroscope from the Helicity of Light

Michael A. Fedderke, Roni Harnik+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2024

Geophysics and Sensor Technology被引用 1

一句话总结

本文提出了一种新型高精度陀螺仪，通过测量旋转参考系中左旋和右旋圆偏振光诱导的螺旋性依赖相位移来检测旋转。该方法利用偏振旋转的频率无关信号，并采用双频射频腔体，通过差分频率测量抑制振动噪声，从而在超导腔体中实现长光子存储时间下的高灵敏度旋转检测。

ABSTRACT

We describe a gyroscope that measures rotation based on the effects of the rotation on the polarization of light. Rotation induces a differential phase shift in the propagation of left- and right-circularly polarized light and this phase shift can be measured in suitably designed interferometric setups. The signal in this setup is independent of the frequency of light, unlike various sources of noise such as vibrations, which cause phase shifts that depend on the frequency. Such vibrations are the practical limit on the sensitivity of conventional Sagnac-style optical interferometers that are typically used as gyroscopes. In the proposed setup, one can potentially mitigate this source of noise by simultaneously using two (or more) sources of light that have different frequencies. The signal in this setup scales with the total storage time of the light. Due to its frequency independence, it is thus most optimal to measure the signal using superconducting radio-frequency systems where the high finesse of the available cavities enables considerably longer storage times than is possible in an optical setup.

研究动机与目标

• 开发一种基于旋转参考系中圆偏振光螺旋性依赖相位移的旋转传感技术。
• 克服传统萨尼亚克干涉仪的根本限制——与光频率成比例的振动噪声。
• 证明旋转信号与光频率无关，从而可利用长存储时间的射频腔体以提升灵敏度。
• 提出一种双频测量方案，通过利用信号与振动噪声在频率依赖性上的差异，实现旋转信号与振动噪声的分离。

提出的方法

• 该方法采用法布里-珀罗腔，以高精细度存储左旋和右旋圆偏振光。
• 其理论基础源于在韦尔规范下，由修正度规和麦克斯韦方程推导出的电磁波在旋转参考系中的传播理论。
• 关键信号源于旋转引起的左旋与右旋模式之间的差分相位移，其大小与存储时间及旋转速率成正比。
• 系统使用两个不同频率的光源测量相位差，从而实现对频率相关振动噪声的抵消。
• 分析在旋转参考系和惯性参考系中均进行，通过场解的变换关系验证了结果的一致性。
• 识别出超导射频腔体为最优选择，因其具有高Q值和长光子存储时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转引起的圆偏振光相位移是否可作为陀螺仪中与频率无关的信号？
• RQ2 在旋转参考系中，左旋与右旋模式之间的相位移如何依赖于旋转速率和存储时间？
• RQ3 双频工作是否能够区分旋转信号与随频率线性变化的振动噪声？
• RQ4 与传统萨尼亚克干涉仪相比，这种基于螺旋性的陀螺仪的根本灵敏度极限是什么？
• RQ5 诸如腔体缺陷或非理想偏振耦合等系统效应如何影响信号，又该如何缓解？

主要发现

• 左旋与右旋圆偏振光之间的旋转诱导相位移与光的频率无关，仅与旋转速率和存储时间成正比。
• 该信号在旋转参考系和惯性参考系中均保持不变，相对相位移沿传播路径累积并可被测量。
• 与频率成线性比例的振动噪声可通过测量两个频率之间的相位差来抵消，从而打破其与旋转信号的简并性。
• 使用超导射频腔体可实现比光学腔体长得多的光子存储时间，显著提升灵敏度。
• 当可实现长存储时间时，该方案的根本灵敏度优于传统萨尼亚克陀螺仪。
• 通过精心设计腔体结构和主动反馈控制，可有效缓解偏振混叠和腔模畸变等系统效应。