[论文解读] Compact Michelson interferometers with subpicometer sensitivity

J. Smetana, Rebecca Walters+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种紧凑的商用迈克尔逊干涉仪，采用深度频率调制和激光频率稳定技术，在0.1 Hz以上实现0.3 pm/√Hz的亚皮米位移灵敏度。该系统通过条纹计数法将干涉响应在多个条纹范围内线性化，并使用一个传感头作为频率参考以抑制激光噪声，从而实现适用于引力波探测器及其他精密实验的高精度位移传感。

ABSTRACT

The network of interferometric gravitational-wave observatories has successfully detected tens of astrophysical signals since 2015. In this paper, we experimentally investigate compact sensors that have the potential to improve the sensitivity of gravitational-wave detectors to intermediate-mass black holes. We use only commercial components, such as sensing heads and lasers, to assemble the setup and demonstrate its subpicometer precision. The setup consists of a pair of Michelson interferferometers that use deep frequency modulation techniques to obtain a linear, relative displacement readout over multiple interference fringes. We implement a laser-frequency stabilisation scheme to achieve a sensitivity of 0.3\,$ ext{pm} / \sqrt{ ext{Hz}}$ above 0.1\,Hz. The device has also the potential to improve other experiments, such as torsion balances and commercial seismometers.

研究动机与目标

• 解决当前引力波探测器中位移传感器的根本局限性，即在30 Hz以下受读出噪声和控制底限的限制。
• 开发一种仅使用商用组件的紧凑、低成本位移传感器，以提高对中等质量黑洞及其他低频天体物理信号的探测灵敏度。
• 通过频率调制和基于参考的稳定技术，克服干涉位移读出中的非线性和激光频率噪声。
• 通过将复杂性移至数字域，同时保持高精度，实现该系统在现有基础设施中的实际部署。
• 证明该系统在下一代传感器（如6D地震仪和LIGO中的先进悬挂系统）中的适用性。

提出的方法

• 采用商用传感头和激光构建双迈克尔逊干涉仪结构，实现相对位移测量。
• 对激光施加深度频率调制，以在多个干涉条纹范围内线性化干涉响应，从而扩展传感器的动态范围。
• 使用条纹计数算法解析多个条纹范围内的绝对位移，避免相位测量中的模糊性。
• 通过一个传感头作为参考来稳定激光频率，以抑制激光频率噪声，这是灵敏度退化的主要来源。
• 利用调制干涉信号形成的李萨如图形，通过基于椭圆拟合的简化实时算法提取相位。
• 通过圆形和静态椭圆拟合表征相位提取中的非线性，并评估在高均方根位移条件下的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用现成组件的紧凑型商用组装迈克尔逊干涉仪能否实现亚皮米灵敏度？
• RQ2 深度频率调制在无需复杂反馈回路的情况下，对在多个条纹范围内线性化干涉响应的效率如何？
• RQ3 使用单个传感头作为频率参考，能在多大程度上抑制激光频率噪声？
• RQ4 相位提取中的主要非线性来源是什么？它们如何随位移振幅变化？
• RQ5 该系统能否在现有引力波探测器中实际部署，以提升30 Hz以下的控制灵敏度？

主要发现

• 干涉仪在0.1 Hz以上实现0.3 pm/√Hz的位移灵敏度，显著优于现有阴影传感器。
• 深度频率调制实现了在多个干涉条纹范围内的线性相对位移读出，扩展了传感器的动态范围。
• 通过使用一个传感头作为参考，有效抑制了激光频率噪声，显著降低了其对整体噪声预算的贡献。
• 采用静态椭圆拟合时，相位提取的非线性度为0.12% RMS，通过动态参数校正可进一步改善。
• 该系统适用于低均方根位移应用，如Advanced LIGO四重悬挂系统，其位移振幅足够小，可使当前相位提取方法保持线性。
• 传感器的紧凑设计和对数字信号处理的依赖，使其成为现有引力波探测器及其他精密仪器的低影响升级方案。