オーストラリア国立大学重力天体物理学センターの博士課程学生アヴァニッシュ・クルル・ラマモハン氏は、相対周波数ノイズを低減することで、重力波検出などに用いられる差分測定の精度向上に取り組んでいます。この研究は、特別な基準空洞を必要とせずに周波数ノイズを低減する独自の手法を実証することで、計測学、重力波検出、量子通信における先端研究に貢献します。
これらのシステムにおける主要な課題は、特に低いフーリエ周波数におけるレーザー周波数ノイズの抑制です。本研究では、超安定参照空洞や高度に特殊化されたレーザーシステムに頼ることなく、このノイズを軽減する新たなアプローチを実証することを目指しています。研究チームは、類似のレーザーと差動読み出しを用いたコモンモードノイズキャンセル方式を採用し、非相関ノイズを抑制します（図1）。 Moku:Pro そしてモク レーザーロックボックスAvanish は、より広範な高精度測定に統合できる実用的なノイズ抑制方法を実現し、センサー技術や基礎物理学実験における将来の飛躍的進歩への扉を開きます。
図1: XNUMXつのPLLによる光位相同期のセットアップの概略図（上、 紙から複製）と実験セットアップ（下）。
オーストラリア国立大学の重力天体物理学センターからスピンアウトしたLiquid Instruments社のMokuデバイスは、最先端の研究に必要なカスタマイズ性を維持しながら、高精度で低ノイズの測定を可能にする理想的なシステムです。Avanishは、レーザーロックボックスを使用することで、4つの光位相同期ループを同時に安定化させ、レーザー周波数ノイズの抑制と広い周波数シフトダイナミックレンジを実現しました。さらに、Mokuを使用することで、 周波数応答アナライザ, 位相計、およびその他の機器を使用して、特性評価と制御を強化します。
課題
レーザー周波数ノイズ、特に1Hz未満のノイズは、低フーリエ周波数測定において特に抑制が困難です。複数の独立したレーザーを使用するシステムでは、相関のない周波数変動によって信号対雑音比が低下し、測定精度がさらに低下します。また、レーザー周波数安定化実験において一般的に見られる環境ノイズからの長期的な安定性と分離を維持することが困難になります。
このセットアップには、Mephisto 2000NE、Mephisto 500NE、Lightwave 126-1064-700などの高性能レーザー、PID制御を備えた複数のデジタルサーボシステム、そしてループ内およびループ外の光検出器が含まれています。データ取得には、以前はLIGO型制御ループでよく使用される制御データシステム（CDS）マシンを使用していました。しかし、この方法ではデータ取得の上限が120kHzであり、高速PID制御と低速PID制御の両方をサポートするために追加のサーボシステムを追加する必要がありました。このセットアップは機能的には効果的でしたが、精密測定に必要なノイズ性能を維持し、達成することが次第に困難になっていました。
複雑な位相同期タスクと低周波伝達関数測定を実行する必要性により、研究室の既存の計測機器の限界が押し上げられました。実験が進むにつれて、より統合的で柔軟なシステムが必要であることが明らかになりました。
「この実験でMokuを使った最終目標は、レーザーの位相同期を実現することです。これは、すべての動作において非常に重要です」とアヴァニッシュ氏は述べた。「この方法により、読み出し時に周波数ノイズがなくなります。」
ソリューション
これらの課題に対処するため、Avanish氏はMoku:Proを使用することで、システム内の複数のツールを1台のデバイスに置き換えることができました。Moku:Labを使用してノイズ特性を評価し、その後Moku:Proを使用した完全なシステム統合へと移行しました。
「Mokuのオプションを見て、『このデバイスならセンサーの読み取りに必要なことは何でもできる』と思いました」とアヴァニッシュ氏は語る。「Moku:Proを購入し、最終的にすべてのキャラクター設定、つまりすべてをMoku:Proで行いました。とても便利でした。」
Moku:Proの柔軟性と低ノイズ性能により、Avanish社は次の段階の実験、特に位相同期に成功しました。Moku:Proを使用することで、Avanish社は主要な解析、生成、制御タスクを2つのデバイスで実行し、デバイス内のFPGAを再構成して異なる機能を実行できるようになりました。例えば、Avanish社は周波数応答アナライザを用いて伝達関数を測定し（図2b）、図XNUMXaに示すループの特性評価とフィードバック制御の検証を行いました。また、Mokuデータロガー、波形発生器、位相計を用いてノイズ測定を行い、データを記録しました。
図2: (a) PLLのブロック図。ループ内ブロックコンポーネント記述子、ループ内入力ノイズポイント、エラー信号および制御信号抽出ポイントを示しています。サーボはMoku PIDコントローラを指します。(b) Moku周波数応答アナライザで取得したループコンポーネントブロックのゲイン応答と開ループ伝達関数(OLTF)。論文からの転載。
この実験の中核となるMoku:Proは マルチインストゥルメントモードデバイス内のFPGAを部分的に再構成することで、4つの独立したLaser Lock Box機器を同時に導入し、それぞれが独自の光位相同期回路（OPLL）を動作させました。4つのLaser Lock Box機器を統合することで、チームはシステム全体の正確な位相制御を維持しながら、セットアップの複雑さを最小限に抑えることができました。
結果
Moku:Proを使用することで、Avanishは図3aに示す広いチューニング範囲にわたってループ安定性を維持しながら、安定した低ノイズ位相同期を実現しました。重要な実験結果の一つは、+/- 100MHzの範囲でチューニングしながら局部発振器の位相同期に成功したことです。図3bに示す周波数偏差では、同期が中断されることはありませんでした。
図 3: PLL のループ内およびループ外のビート ノートの周波数偏差測定。3(a) は Moku 位相計で取得され、3(b) のループ外のビート ノート周波数偏差の時系列測定は NI 5761 で取得されました。論文から転載。
「もし手動で、あるいはアナログシステムでこれをやらなければならなかったら、局部発振器でこれほど多くの情報を得ることはできなかったでしょう。特にMokuのノイズフロアが非常に低いのでなおさらです」とアヴァニッシュ氏は語る。「それが私がMokuを高く評価している重要な機能の一つです。」
図4の画面に表示されているマルチインストゥルメントモードのレーザーロックボックスを使用することで、アヴァニッシュは様々な固有の課題と性能に基づく課題を克服し、高精度な位相同期を実現しました。しかも、他のソリューションよりもはるかに優れたノイズ性能と安定性を実現しています。この同じ技術を用いて、彼は次のような実験も開始しました。 パウンド・ドレバー・ホール・ロッキング Moku:Pro レーザー ロック ボックスを使用しており、今年後半には追加の結果が得られる予定です。
図4：ラック中央にMoku:LabデバイスXNUMX台とMoku:ProデバイスXNUMX台を含む様々なテスト機器を備えたテストラック。上部のXNUMXつのiPad画面にはLaser Lock Boxの機器が表示され、左下のiPad画面には周波数応答アナライザーのゲインと位相のプロットが表示されています。
ロック機構のもう一つの重要な機器であるMoku PIDコントローラー内蔵の二重積分器を使用することで、低周波での高ゲインを実現しました。
「それが、この実験で周波数ノイズをこれほど高いレベルで抑制するのに役立ったのです」とアヴァニッシュ氏は述べた。「低周波でこれほどのゲインを得て、これほどの周波数ノイズ性能を実現できるデバイスは他に知りません。まさに私が求めていたもので、他にこれを実現できるデバイスはありません。」
結論
アヴァニッシュ氏と彼のチームの研究は、精密計測における長年の技術的課題を解決するだけでなく、重力センシング、計測学、量子システムといった将来の研究のためのスケーラブルなモデルも提供しています。チームによるMoku:Proの活用は、柔軟な計測機器と影響力の大きい物理学研究の強力な融合を示す好例であり、今後さらに多くの論文発表が期待されます。
注目すべきことに、アヴァニッシュ氏と彼のチームは、ねじり振り子式ダイヤル発振器（TorPeDO）の試運転を進めています。この装置とMoku:Proレーザーロックボックスを用いて5つのレーザーを同時にパウンド・ドレバー・ホール同期させることで、ニュートンノイズ（重力勾配ノイズ）を直接測定し、測定レーザー周波数を制御することでTorPeDOのキャビティ長の変化を精密に追跡することが可能になります（図XNUMX）。
図5：ToRPeDOセンサーの回路図。フィードバック制御、ローパスフィルタ（LPF）、ミキサー、PDH局部発振器はMoku:Proに内蔵されています。論文より転載。
Moku:Pro は、高性能位相ロック、低周波ノイズ抑制、および単一の再構成可能なデバイス内での統合システム制御を可能にし、この重力物理学研究室に欠かせないツールになりました。
アヴァニッシュ氏と彼のチームの実験の詳細については、論文全文をご覧ください。 こちら.
