호주국립대학교 중력천체물리학센터의 박사 과정생인 아바니쉬 쿨루르 라마모한은 중력파 탐지에 사용되는 것과 같은 미분 측정의 정밀도를 향상시키기 위해 상대 주파수 잡음을 줄이는 연구를 진행하고 있습니다. 이 연구는 특별한 기준 공진기 없이 주파수 잡음을 완화하는 독창적인 접근 방식을 제시함으로써 계측학, 중력파 탐지 및 양자 통신 분야의 첨단 연구에 기여합니다. 이러한 시스템의 핵심 과제는 특히 낮은 푸리에 주파수에서 레이저 주파수 잡음을 억제하는 것입니다. 본 연구는 초안정 기준 공진기나 고도로 특수화된 레이저 시스템에 의존하지 않고 이러한 잡음을 완화하는 새로운 접근 방식을 제시하고자 합니다. 연구팀은 유사한 레이저와 미분 판독을 사용하여 비상관 잡음을 억제하는 공통 모드 잡음 제거 방식을 채택했습니다(그림 1). 안정화된 유사한 레이저를 사용함으로써 Moku:Pro 그리고 모쿠 레이저 락 박스Avanish는 더 광범위한 정밀 측정 분야에 통합될 수 있는 실용적인 노이즈 억제 방법을 구현하여 향후 센서 기술과 기본 물리학 실험 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있는 문을 열어줍니다.
그림 1: XNUMX개의 PLL을 사용한 광학 위상 잠금 설정 개략도(위, 종이에서 재생산됨(아래) 및 실험 장치. 호주 국립 대학교 중력 천체 물리학 센터에서 분사한 Liquid Instruments의 Moku 장치는 연구팀이 최첨단 연구에 필요한 맞춤형 기능을 유지하면서 정밀하고 저잡음 측정을 가능하게 하는 이상적인 시스템을 제공합니다. Avanish는 Laser Lock Box를 사용하여 레이저 주파수 잡음을 억제하고 넓은 주파수 편이 동적 범위를 달성하기 위해 4개의 광학 위상 고정 루프를 동시에 안정화했으며, Moku도 활용했습니다. 진동수 응답 분석기, 위상 계측기및 향상된 특성화와 제어를 위한 기타 기기.
난제
레이저 주파수 잡음, 특히 1Hz 이하의 잡음은 낮은 푸리에 주파수 측정에서 억제하기가 매우 어렵습니다. 여러 개의 독립적인 레이저를 사용하는 시스템에서는 상관관계가 없는 주파수 변동이 신호 대 잡음비를 저하시켜 측정 정확도를 더욱 떨어뜨리고, 레이저 주파수 안정화 실험에서 흔히 발생하는 장기적인 안정성 유지 및 환경 잡음 차단을 어렵게 만듭니다. 본 연구진은 Mephisto 2000NE, Mephisto 500NE, Lightwave 126-1064-700과 같은 고성능 레이저, PID 제어 기능을 갖춘 여러 개의 디지털 서보 시스템, 그리고 루프 내외부의 광검출기를 포함한 시스템을 구축했습니다. 데이터 수집을 위해 연구팀은 이전에 LIGO 유형의 제어 루프 시스템에서 널리 사용되는 CDS(Control and Data System) 장비를 사용했습니다. 그러나 이 방법은 최대 데이터 수집 속도가 120kHz에 불과하여 고속 및 저속 PID 제어를 모두 지원하기 위해 추가적인 서보 시스템이 필요했습니다. 이 구성은 기능적으로는 효과적이었지만, 정밀 측정에 필요한 잡음 성능을 유지하고 달성하는 것이 점점 더 어려워졌습니다. 복잡한 위상 동기화 작업과 저주파 전달 함수 측정의 필요성으로 인해 연구실의 기존 장비로는 한계에 다다랐습니다. 실험이 진행됨에 따라 보다 통합적이고 유연한 시스템이 필요하다는 것이 분명해졌습니다. 아바니쉬는 "이번 실험에서 Moku를 사용하는 최종 목표는 모든 장비가 정상적으로 작동할 때 매우 중요한 레이저 위상 동기화를 구현하는 것입니다."라고 말했습니다. "이 방법을 사용하면 판독값에 주파수 잡음이 발생하지 않을 것입니다."
해법
Avanish는 Moku:Pro를 사용하여 이러한 문제들을 해결함으로써, 기존의 여러 도구를 하나의 장치로 대체할 수 있었습니다. Moku:Lab을 사용하여 노이즈 특성을 분석하는 것으로 시작하여, Moku:Pro를 활용한 완전한 시스템 통합으로 점진적으로 전환했습니다. Avanish는 "Moku의 다양한 옵션을 살펴보면서 '이 장치 하나로 센서 판독에 필요한 모든 것을 할 수 있겠다'라고 생각했습니다."라고 말했습니다. "Moku:Pro를 도입한 후, 모든 특성 분석 작업을 Moku:Pro 하나로 모두 완료했습니다. 정말 편리했습니다." Moku:Pro의 유연성과 저잡음 성능 덕분에 Avanish는 다음 단계 실험, 특히 위상 동기화 실험을 성공적으로 수행했습니다. Moku:Pro를 통해 Avanish는 하나의 장치로 핵심 분석, 생성 및 제어 작업을 수행하고, 장치 내 FPGA를 재구성하여 다양한 기능을 수행할 수 있었습니다. 예를 들어, Avanish는 주파수 응답 분석기를 사용하여 전달 함수 측정(그림 2b)을 통해 그림 2a에 나타난 루프의 특성을 분석하고 피드백 제어를 검증했습니다. 또한 Moku 데이터 로거, 파형 발생기, 위상계를 사용하여 노이즈를 측정하고 데이터를 기록했습니다.
그림 2: (a) PLL의 블록 다이어그램으로, 루프 내 블록 구성 요소 설명, 루프 내 입력 잡음 지점, 오차 신호 및 제어 신호 추출 지점을 보여줍니다. Servo는 Moku PID 컨트롤러를 나타냅니다. (b) Moku 주파수 응답 분석기를 사용하여 측정한 루프 구성 요소 블록의 이득 응답 및 개루프 전달 함수(OLTF). 논문에서 발췌. 실험의 핵심은 Moku:Pro를 사용하는 것입니다. 다중 장비 모드장치 내부 FPGA를 부분적으로 재구성하여 4개의 독립적인 레이저 잠금 상자(Laser Lock Box) 장비를 동시에 배치하고, 각 장비는 자체적인 광학 위상 잠금 루프(OPLL)를 구동합니다. 4개의 통합 레이저 잠금 상자 장비를 통해 연구팀은 시스템 전체의 정밀한 위상 제어를 유지하면서도 설정의 복잡성을 최소화했습니다.
결과
Avanish는 Moku:Pro를 사용하여 그림 3a에서 볼 수 있듯이 넓은 튜닝 범위에 걸쳐 루프 안정성을 유지하면서 안정적이고 저잡음 위상 고정을 달성했습니다. 한 가지 중요한 실험 결과는 위상 고정에 어떠한 방해도 없이 ±100MHz 범위에서 튜닝하는 동안 국부 발진기의 위상 고정이 성공적으로 이루어졌음을 보여주며, 그림 3b에서 주파수 편차를 확인할 수 있습니다.
그림 3: PLL의 루프 내 및 루프 외 비트 노트의 주파수 편차 측정. 3(a)는 Moku 위상계를 사용하여 측정했으며, 3(b)의 루프 외 비트 노트 주파수 편차 시계열 측정은 NI 5761을 사용하여 측정했습니다. 논문에서 발췌. "수동으로 또는 아날로그 시스템으로 측정해야 했다면, 특히 Moku의 노이즈 플로어가 매우 낮기 때문에 국부 발진기에서 이처럼 정밀한 측정을 할 수 없었을 것입니다."라고 Avanish는 말했습니다. "이것이 제가 Moku를 높이 평가하는 핵심 기능 중 하나입니다." 그림 4에서 볼 수 있는 다중 기기 모드의 Laser Lock Box를 사용하여 Avanish는 정밀한 위상 잠금을 달성하기 위해 내재적 및 성능 기반 문제를 극복할 수 있었습니다. 이 모든 것은 다른 솔루션보다 훨씬 뛰어난 노이즈 성능과 안정성을 제공합니다. 그는 이와 동일한 기술을 사용하여 공연을 시작했습니다. 파운드-드레버-홀 잠금 올해 말에 추가 결과가 나올 것으로 예상되는 Moku:Pro 레이저 잠금 장치를 사용합니다.
그림 4: 테스트 랙에는 다양한 테스트 장비가 설치되어 있으며, 랙 중앙에는 Moku:Lab 장치 두 대와 Moku:Pro 장치 한 대가 보입니다. 레이저 잠금 상자 장비는 위쪽 두 개의 iPad 화면에서 볼 수 있으며, 주파수 응답 분석기의 이득 및 위상 플롯은 왼쪽 아래 iPad 화면에서 볼 수 있습니다. 잠금 설정에서 또 다른 핵심 장비는 Moku입니다. PID 컨트롤러이 장치는 내장된 이중 적분기를 사용하여 저주파수에서 높은 이득을 얻을 수 있도록 설계되었습니다. 아바니쉬는 "바로 그 덕분에 실험에서 주파수 잡음을 매우 효과적으로 억제할 수 있었습니다."라고 말했습니다. "저주파수에서 그 정도의 이득을 내어 이러한 주파수 잡음 성능을 달성할 수 있는 다른 장치는 알지 못합니다. 제가 원했던 바로 그 결과입니다. 다른 어떤 장치도 그런 성능을 낼 수 없습니다."
맺음말
아바니쉬와 그의 연구팀의 연구는 정밀 측정 분야의 오랜 기술적 난제를 해결할 뿐만 아니라, 중력 감지, 계측학 및 양자 시스템 분야의 미래 연구를 위한 확장 가능한 모델을 제시합니다. 연구팀이 Moku:Pro를 활용한 사례는 유연한 계측 장비와 영향력 있는 물리학 연구의 강력한 결합을 보여주는 좋은 예이며, 앞으로 더 많은 연구 결과가 발표될 예정입니다. 특히, 아바니쉬와 그의 연구팀은 비틀림 진자 다이얼 발진기(TorPeDO)를 제작하고 있습니다. 이 발진기와 Moku:Pro 레이저 잠금 상자를 사용하여 4개의 레이저에 동시에 파운드-드레버-홀(Pound-Drever-Hall) 잠금을 수행함으로써, 연구팀은 뉴턴 잡음, 즉 중력 기울기 잡음을 직접 측정하고 측정 레이저 주파수를 제어하여 TorPeDO 공동 길이 변화를 정밀하게 추적할 수 있습니다(그림 5).
그림 5: ToRPeDO 센서 회로도. 피드백 제어, 저역 통과 필터(LPF), 믹서, 그리고 PDH 국부 발진기는 Moku:Pro에 포함되어 있습니다. 논문에서 발췌.
Moku:Pro는 고성능 위상 동기화, 저주파 잡음 억제, 그리고 단일 재구성 가능 장치 내에서 통합 시스템 제어를 가능하게 함으로써 이 중력 물리학 연구실에서 없어서는 안 될 도구가 되었습니다. 아바니쉬와 그의 연구팀의 실험에 대해 더 자세히 알아보려면 전체 논문을 읽어보세요. 여기에서 확인하세요.