[论文解读] Noise level of a ring laser gyroscope in the femto-rad/s range

A. Di Virgilio, Francesco Bajardi+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2023

Geophysics and Sensor Technology参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文表明 GINGERINO 环形激光陀螺仪在噪声底阈方面远低于传统的泊松噪声预测，达到接近 1e-15 rad/s 的灵敏度，并通过对同一光束分束器输出的两个信号进行互相关，验证一个上限量子噪声估计。

ABSTRACT

Absolute angular rotation rate measurements with sensitivity better than prad/s would be beneficial for fundamental science investigations. On this regard, large frame Earth based ring laser gyroscopes are top instrumentation as far as bandwidth, long--term operation, and sensitivity are concerned. Here, we demonstrate that the GINGERINO active--ring laser upper limiting noise is close to $2 imes 10^{-15}$ rad/s for $\sim 2 imes 10^5$ s of integration time, as estimated by the Allan deviation evaluated in a differential measurement scheme. This is more than a factor 10 better than the theoretical prediction so far accounted for ideal ring lasers shot--noise with the two beams counter--propagating inside the cavity considered as two independent propagating modes. This feature is related to the peculiarity of real ring laser system dynamics that causes phase cross--talking among the two counter--propagating modes. In this context, the independent beam model is, then, not applicable and the measured noise limit falls below the expected one.

研究动机与目标

• 使用大型框架环形激光陀螺仪进行基于基本物理和地球物理学的高精度绝对旋转测量的动机。
• 研究在一个旋转腔中，反向传播光束耦合时，传统的独立光束泊松噪声极限是否仍然成立。
• 通过对单一分束器输出的两个拍频信号进行互相关，直接估计一个工作中的 RLG 原型的随机噪声底并上限定量子噪声。
• 表征频域和时域噪声行为，以评估对 GR 与基本物理测试的可行性。

提出的方法

• 使用单一分束器输出从反向传播的两束光生成两个等效的拍频信号。
• 从光电二极管输出计算频率信号并形成差分，以消除共同噪声并估计内部量子噪声的上限。
• 利用希尔伯特变换重构分析频率以提取 Sagnac 频率及其噪声，包括白频率噪声、白相位噪声和相位扩散噪声。
• 通过自相关谱密度（ASD）和艾伦偏差比较重构的角频率信号及其噪声底，以识别有效噪声底。
• 用角速度来表达灵敏度，并通过 Sagnac 关系将其与地球自转尺度信号联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 大型框架的环形激光陀螺仪在仅用单一分束器输出对等输出时的实际噪声底是多少？与预测的泊松噪声极限相比如何？
• RQ2 Gingerino 是否能实现亚泊松噪声灵敏度，在对地球物理和基本物理测量相关的低频段中，主导噪声过程是什么？
• RQ3 不同噪声模型（白频率噪声、白相位噪声、相位扩散）在 RLG 数据的希尔伯特变换频率重构中如何传播？
• RQ4 测得的 ASD 与艾伦偏差对在多传感器 RLG 阵列中检测 GR 效应或其他基本物理信号的可行性意味着什么？

主要发现

• 实验通过评估来自单一分束器输出的两个等效拍频信号，证明了环形激光的限制性噪声底低于传统泊松噪声预测。
• 重构的低频噪声底处于 prad/s 每 Hz^1/2 的数量级，约比这些装置的预期泊松噪声水平低一个数量级。
• ASD 与艾伦偏差分析表明在较长积分时间内噪声水平为几 prad/s^2（例如在数日之后约为 2.1e-? frad/s），当使用一个 RLG 阵列时能够达到地球自转尺度的灵敏度。
• 高频数据呈现出一个特征性的相位噪声支尾，与平坦的相位噪声成分相符，而非纯光子泊松噪声。
• 结果提供了实验性证据，表明完整的量子模型必须考虑在旋转腔中相互依赖的反向传播光束的动力学，才能正确预测最终灵敏度。