[论文解读] Demonstration of a length control system for ALPS II with a high finesse 9.2 m cavity

J. Pöld, Aaron Spector|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用 1

一句话总结

本文展示了针对9.2米高精细度光学腔（精细度 = 101,300 ± 500）的高带宽长度稳定系统，采用532 nm光和压电驱动镜面，实现差分长度噪声低于0.6 pm RMS，满足ALPS II对稳定性的严格要求。该系统采用带宽为4 kHz的单位增益带宽反馈回路，验证了未来在ALPS IIc中探测轴子样粒子的控制策略。

ABSTRACT

Light-shining-through-a-wall experiments represent a new experimental approach to search for undiscovered elementary particles not accessible with accelerator based experiments. The next generation of these experiments, such as ALPS II, require high finesse, long baseline optical cavities with fast length control. In this paper we report on a length stabilization control loop used to keep a cavity resonant with light at a wavelength of 532nm. It achieves a unity-gain-frequency of 4kHz and actuates on a mirror with a diameter of 50.8mm. This length control system was implemented on a 10m cavity and its projected performance meets the ALPS II requirements. The finesse of this cavity was measured to be 93,800$\pm$500 for 1064nm light, a value which is close to the design requirements for the ALPS II regeneration cavity.

研究动机与目标

• 验证ALPS II再生腔（RC）的长度稳定要求，采用9.2米高精细度腔体。
• 展示一种能够在轴子样粒子探测的严苛稳定性条件下维持共振的控制系统。
• 表征并缓解限制RC与生产腔之间差分长度稳定性的噪声源。
• 测试在RC中使用532 nm光进行长度传感的可行性，避免与再生的1064 nm光子产生干扰。

提出的方法

• 使用高反射率镜面构建了9.2米光学腔，精细度为101,300 ± 500，并通过 Pound-Drever-Hall（PDH）反馈回路实现稳定。
• 将1064 nm光源频率倍频为532 nm激光束，利用PDH误差信号探测腔长。
• 在后镜（RCO）上安装高带宽压电促动器，主动校正腔长波动。
• 系统采用双反馈：使用532 nm光进行长度控制，同时通过透射信号传感将1064 nm激光频率锁定至腔体。
• 通过比较532 nm与1064 nm激光之间的拍频信号测量回路外噪声，回路增益在40 Hz以上受限。
• 通过比较回路内与回路外测量结果分析噪声源，识别出对准误差和镜面表面效应为主要贡献因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 532 nm反馈回路能否实现ALPS IIc所需的差分长度稳定性（<0.6 pm RMS）？
• RQ2 在用于光穿墙实验的高精细度腔体中，限制长度稳定性的主要噪声源是什么？
• RQ3 对腔长施加作动时，对回路外噪声（特别是低频段）有何影响？
• RQ4 对1064 nm激光实施频率反馈能否将回路外长度噪声降低至ALPS II要求以下？
• RQ5 镜面表面粗糙度以及532 nm与1064 nm本征模态之间的模式失配在多大程度上导致差分长度噪声？

主要发现

• 在1064 nm波长下，9.2米腔体的精细度测量值为101,300 ± 500，光子存储时间为1.99 ± 0.01 ms。
• 长度稳定回路实现了4 kHz的单位增益带宽，有效抑制了长度噪声。
• 在1 mHz频率下，加入长度反馈后的差分长度噪声为3.5 pm RMS，超过ALPS II要求的0.6 pm RMS。
• 对1064 nm激光实施频率反馈后，回路外噪声降低至1.3 mHz RMS，满足ALPS II要求直至1.3 mHz。
• 40 Hz以上的回路外噪声受限于回路增益，而当绕过数字控制器时，电子噪声得到降低。
• 由于压电作动引起的异常回路外噪声增加，归因于对准噪声和镜面表面粗糙度，表明需要提升镜面质量或采用其他控制策略。