[论文解读] Readout and Control of a Power-recycled Interferometric Gravitational-wave Antenna

D. Sigg, Haisheng Rong+6 more|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文介绍了LIGO的功率循环型迈克尔逊干涉仪引力波探测器中一种复杂反馈控制系统的设计与实现，采用Pound-Drever-Hall锁定技术及多种误差信号，以稳定光学腔体。该系统实现了亚原子尺度的长度控制——将两臂差分臂长稳定在5×10⁻¹⁴ m的均方根范围内，通过主动反馈网络抑制激光频率噪声和环境扰动，从而在150 Hz频率下实现10⁻²¹应变灵敏度。

ABSTRACT

Interferometric gravitational wave antennas are based on Michelson interferometers whose sensitivity to small differential length changes has been enhanced by adding multiple coupled optical resonators. The use of optical cavities is essential for reaching the required sensitivity, but sets challenges for the control system which must maintain the cavities near resonance. The goal for the strain sensitivity of the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) is 10^-21 rms, integrated over a 100 Hz bandwidth centered at 150 Hz. We present the major design features of the LIGO length and frequency sensing and control system which will hold the differential length to within 5 10^-14 m of the operating point. We also highlight the restrictions imposed by couplings of noise into the gravitational wave readout signal and the required immunity against them.

研究动机与目标

• 在以150 Hz为中心、带宽为100 Hz的频带内实现10⁻²¹均方根应变灵敏度，以满足引力波探测需求。
• 设计并实现一种反馈控制系统，即使在环境扰动和激光频率噪声下，也能保持光学腔体处于共振状态。
• 将激光频率噪声抑制至目标频带内低于10⁻⁶ Hz/√Hz，确保其不会降低引力波信号质量。
• 通过采用多个解耦的传感与控制回路，抑制噪声耦合至引力波读出信号。
• 通过管理14个角向自由度和4个纵向自由度的共模与差模行为，实现干涉仪的长期稳定锁定。

提出的方法

• 采用Pound-Drever-Hall技术生成误差信号，用于将模式清洁器和臂腔锁定至共振状态。
• 采用双路径反馈系统：一条路径控制模式清洁器镜面位置，另一条路径通过压控振荡器和声光调制器调节激光频率。
• 测量同相反射信号（S_refl）和功率循环腔信号（S_prc），以监控和控制共模与差模臂长。
• 部署具有1–10 Hz单位增益频率的多回路反馈网络，以稳定14个角向和4个纵向自由度。
• 使用带有热致动器的参考腔，校正激光频率的长期漂移，确保长期稳定性。
• 应用主动反馈以阻尼悬挂镜面并控制功率循环镜位置，降低对地震和热噪声的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在环境扰动下主动稳定功率循环型干涉仪中的光学腔体，以维持共振？
• RQ2 在以150 Hz为中心、带宽为100 Hz的频带内，需要何种控制架构才能将激光频率噪声抑制至10⁻⁶ Hz/√Hz以下？
• RQ3 如何在不产生串扰或不稳定性的前提下，同时控制14个角向和4个纵向自由度？
• RQ4 哪些误差信号和传感技术最有效，可实现高光学功率并最小化噪声耦合至引力波读出信号？
• RQ5 在差分臂长控制中可实现的稳定性水平是多少，以避免影响10⁻²¹应变灵敏度目标？

主要发现

• 该控制系统成功将差分臂腔长度稳定在距工作点5×10⁻¹⁴ m的均方根范围内，满足引力波探测的严格要求。
• 共模腔长度稳定在<2×10⁻¹² m的均方根范围内，确保最大光学功率积累和最优信噪比。
• 激光频率噪声在目标频带内被抑制至<10⁻⁶ Hz/√Hz，防止其降低应变灵敏度。
• 已证明干涉仪可连续锁定数小时，证实了反馈网络的稳定性和鲁棒性。
• 多回路反馈系统有效隔离并控制了14个角向和4个纵向自由度，即使在地震和热扰动下也能实现稳定运行。
• 通过使用多个误差信号——S_ref、S_MC、S_refl、S_anti、S_prc——实现了对腔长、激光频率和功率循环镜位置的精确、解耦控制。