DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-06-03-14
УДК 681.787
Сергей Сергеевич Донченко1* , Руслан Аскарджонович Давлатов2, Евгений Александрович Лавров3, Денис Александрович Соколов4, Иван Олегович Скакун5, Павел Максимович Гунин6
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия
1donchenko_ss@vniiftri.ru https://orcid.org/ 0000-0002-1867-4834
2davlatov_r_a@mail.ru https://orcid.org/ 0000-0002-7520-0256
3lavrov@vniiftri.ru https://orcid.org/0000-0002-8119-7508
4sokolov@vniiftri.ru https://orcid.org/0000-0002-0700-9476
5skakun@vniiftri.ru https://orcid.org/0000-0003-0105-3967
6pav-gun@yandex.ru https://orcid.org/0000-0001-8387-3322
Аннотация
Предмет исследования. Чувствительность макета бортового интерферометра для полунатурного моделирования в проекте космического детектора гравитационных волн SOIGA на орбитах ГЛОНАСС. Цель работы. Оценка и исследование источников шума в предложенной реализации лазерного гетеродинного интерферометра, который измеряет относительные перемещения пробных масс в проекте космической гравитационно-волновой антенны. Метод. Численное моделирование и экспериментальные исследования влияния составных частей макета на чувствительность измерения линейных относительных перемещений. Основные результаты. Описан проект космической гравитационно-волновой антенны «SOIGA» с различными конфигурациями космических аппаратов. Для межспутниковых интерферометрических измерений предлагается использовать транспондерный принцип, когда на каждом аппарате размещается приёмник и ретранслятор лазерного излучения, которое распространяется во встречных направлениях. Описаны принципы построения бортового гетеродинного интерферометра. Предложена схема построения наземного макета для проверки основных технических решений. Приведены результаты по оценке нелинейных оптических шумов для неоднозначных оптических путей интерферометра, нестабильности частоты лазерного модуля, температурных флуктуаций и т.д. Исследования радиочастотных сигналов, подаваемых на акустооптические модуляторы, показали отсутствие «призрачных» гармоник на гетеродинной частоте, также был определён оптимальный режим работы высокочастотного усилителя, при котором высшие гармоники не вносят вклад в погрешность измерений. Наибольший вклад в шумы макета интерферометра внесли температурные флуктуации. Суммарный расчётный шумовой бюджет не превышает 20 пм в диапазоне частот от 2 до 10 Гц. Сформулированы предложения по модернизации макета для уменьшения уровня шумов до требуемого уровня (менее 30 пм) во всем целевом диапазоне от 100 мГц до 10 Гц. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке первой российской космической гравитационно-волновой антенны.
Ключевые слова: межспутниковый лазерный интерферометр, гетеродинный интерферометр, детектирование гравитационных волн, шумы интерферометра, ГЛОНАСС
Благодарность: исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-29-11022\21.
Ссылка для цитирования: Донченко С.С., Давлатов Р.А., Лавров Е.А., Соколов Д.А., Скакун И.О., Гунин П.М. Результаты исследования фазовых шумов лазерного интерферометра для проекта космического детектора гравитационных волн SOIGA // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 6. С. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-03-14
Коды OCIS: 230.0230, 120.3180, 040.2840.
Phase noises research results of the laser interferometer for the SOIGA gravitational wave detector project
Sergey Donchenko1*, Ruslan Davlatov2, Evgeniy Lavrov3, Denis Sokolov4, Ivan Skakun5, Pavel Gunin6
All-Russian Research Institute of Physical, Technical and Radio Measurements, Mendeleevo, Russia
1donchenko_ss@vniiftri.ru https://orcid.org/ 0000-0002-1867-4834
2davlatov_r_a@mail.ru https://orcid.org/ 0000-0002-7520-0256
3lavrov@vniiftri.ru https://orcid.org/0000-0002-8119-7508
4sokolov@vniiftri.ru https://orcid.org/0000-0002-0700-9476
5skakun@vniiftri.ru https://orcid.org/0000-0003-0105-3967
6pav-gun@yandex.ru https://orcid.org/0000-0001-8387-3322
Abstract
Subject of study. Sensitivity of the on-board interferometer layout for seminumerical modelling in SOIGA spaceborne gravitational wave detector project on GLONASS orbits. Aim of study. To evaluate and investigate sources of noise in the proposed implementation of a laser heterodyne interferometer which measures relative displacements of sample masses in the space gravitational wave antenna project. Method. Numerical modelling and experimental studies of the influence of layout components on measurement sensitivity of linear relative movement. Main results. The design of the SOIGA space gravitational wave antenna with different spacecrafts configurations is described. For intersatellite interferometric measurements, the transponder principle is proposed, where each spacecraft has a receiver and a repeater of laser radiation, which propagates in opposite directions. The principles of constructing an airborne heterodyne interferometer are described. A schematic layout of a ground layout for testing the basic technical solutions is proposed. Results of estimation of nonlinear optical noise for ambiguous optical paths of the interferometer, instability of the laser module frequency, temperature fluctuations, etc. are given in the paper. Studies of radio-frequency signals fed to acousto-optical modulators showed the absence of "ghost" harmonics at the heterodyne frequency; the optimum operating mode of the RF amplifier, in which higher harmonics do not contribute to measurement uncertainty, was also determined. The greatest contribution to the interferometer layout noise was made by temperature fluctuations. The total calculated noise budget does not exceed 20 pm in frequency range from 2 to 10 Hz. Suggestions for upgrading the layout to reduce noise to the required level (<30 pm) over the entire target frequency range from 100 mHz to 10 Hz are formulated. Practical significance. The results obtained in the work can be used in the development of the first Russian space gravitational-wave antenna.
Keywords: inter-satellite laser interferometer, heterodyne interferometer, gravitational wave detection, interferometer noises, GLONASS
Acknowledgment: the research was carried out with the financial support of the RFBR in the framework of the scientific project № 19-29-11022\21.
For citation: Donchenko S.S., Davlatov R.A., Lavrov E.A., Sokolov D.A., Skakun I.O., Gunin P.M. Phase noises research results of the laser interferometer for the SOIGA gravitational wave detector project [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 6. P. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-03-14
OCIS сodes: 230.0230, 120.3180, 040.2840.
Список литературы
1. Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger // Physical Review Letters. 2016. V. 116. № 6. P. 061102:1-16. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
2. Hammesfahr A. LISA mission study overview // Classical and Quantum Gravity. 2001. V. 18. № 10. P. 4045–4051. https://doi.org/10.1088/0264-9381/22/10/001
3. Conklin J.W., Buchman S., Aguero V. and etc. LAGRANGE: LAser GRavitational-wave ANtenna at GEo-lunar L3, L4, L5. 2011. https://arxiv.org/abs/1111.5264.
4. Kawamura S., Nakamura Т., Ando М. et al. The Japanese space gravitational wave antenna DECIGO // Classical and Quantum Gravity. 2006. V. 23. № 8. P. S125. https://doi.org/10.1088/0264-9381/23/8/S17
5. Пустовойт В.И., Донченко С.И., Денисенко О.В., Фатеев В.Ф. Концепция создания космической лазерной гравитационной антенны на геоцентрической орбите ГЛОНАСС «SOIGA» // Альманах современной метрологии. 2020. № 1 (21). C. 27–49.
6. Донченко С.С., Фатеев В.Ф., Давлатов Р.А., Харламов П.Г., Карауш Е.А., Гостев Ю.В., Соколов Д.А., Лавров Е.А. Особенности высокоточной космической лазерной гравитационно-волновой антенны на основе спутников, движущихся по орбитам ГЛОНАСС // Альманах современной метрологии. 2020. № 3 (23). С. 53–96.
7. Sheard B., Heinzel G., Danzmann K. et al. Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE follow-on mission // Journal of Geodesy. 2012. V. 86. P. 1083–1095. https://doi.org/10.1007/s00190-012-0566-3
8. Wanner G. Space-based gravitational wave detection and how LISA Pathfinder successfully paved the way // Nature Physics. 2019. 15. P. 200–202. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0462-3
9. Zhang Y., Hines A.S., Valdes G., Guzman F. Investigation and mitigation of noise contributions in a compact heterodyne interferometer // Sensors. 2021. V. 21. № 17. P 5788:1–18. https://doi.org/10.3390/s21175788
10. Wu C.M., Deslattes R. Analytical modeling of the periodic nonlinearity in heterodyne interferometry // Applied Optics. 1998. V. 37. № 28. P. 6696–6700. https://doi.org/10.1364/AO.37.006696
11. Joo K.N., Ellis J.D., Spronck J.W., van Kan P.J., Schmidt R.H. Simple heterodyne laser interferometer with subnanometer periodic errors // Optics Letters. 2009. V. 34. № 3. P. 386–388. https://doi.org/10.1364/ol.34.000386
12. Wand V., Bogenstahl J., Braxmaier C., Danzmann K., Garcia A., Guzmán F., Heinzel G., Hough J., Jennrich O., Killow C. Noise sources in the LTP heterodyne interferometer // Classical and Quantum Gravity. 2006. V. 23. P. S159. https://doi.org/10.1088/0264-9381/23/8/S21
13. Heinzel G., Wand V., Garcia A., Guzman F., Steier F., Killow C., Robertson D.L., Ward H. Investigation of noise sources in the LTP Interferometer S2-AEI-TN-3028. 2008. http://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0013-4724-5 (accessed on 7 April 2021)
14. Salvadé Y., Dändliker R. Limitations of interferometry due to the flicker noise of laser diodes // Journal of the Optical Society of America A. 2000. V. 17. P. 927–932. https://doi.org/10.1364/JOSAA.17.000927
15. Drever R.W.P., Hall J.L., Kowalski F.V., Hough J., Ford G.M., Munley A.J., Ward H. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator // Applied Physics B. 1983. V. 31. P. 97–105. https://doi.org/ 10.1007/BF00702605
16. Supplee J.M., Whittaker E.A., Lenth W. Theoretical description of frequency modulation and wavelength modulation spectroscopy // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 6294–6302.
17. Numata K., Yu A.W., Jiao H., Merritt S.A., Micalizzi F., Fahey M.E., Camp J.B., Krainak M.A. Laser system development for the LISA (Laser Interferometer Space Antenna) mission // In Solid State Lasers XXVIII: Technology and Devices // Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series. 2019. V. 10896. P. 108961H. https://doi.org/10.1117/12.2508181
References
1. Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger // Physical Review Letters. 2016. V. 116, № 6. P. 061102:1-16. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
2. Hammesfahr A. LISA mission study overview // Classical and Quantum Gravity. 2001. V. 18. № 10. P. 4045–4051. https://doi.org/10.1088/0264-9381/22/10/001
3. Conklin J.W., Buchman S., Aguero V. and etc. LAGRANGE: LAser GRavitational-wave ANtenna at GEo-lunar L3, L4, L5. 2011. https://arxiv.org/abs/1111.5264.
4. Kawamura S., Nakamura Т., Ando М. et al. The Japanese space gravitational wave antenna DECIGO // Classical and Quantum Gravity. 2006. V. 23. № 8. P. S125. https://doi.org/10.1088/0264-9381/23/8/S17
5. Pustovoit V.I., Donchenko S.I., Denisenko O.V., Fateev V.F. The concept of creating a space laser gravitational antenna in the geocentric orbit GLONASS "SOIGA" // Almanac of modern metrology. 2020. № 1 (21). P. 27–49
6. Donchenko S.S., Fateev V.F., Davlatov R.A., Kharlamov P.G., Karaush E.A., Gostev Yu.V., Sokolov D.A., Lavrov E.A. Features of a high-precision space laser gravitational wave antenna based on satellites moving in GLONASS orbits // Almanac of modern metrology. 2020. № 3 (23). P. 53–96.
7. Sheard B., Heinzel G., Danzmann K. et al. Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE follow-on mission // Journal of Geodesy. 2012. V. 86. P. 1083–1095. https://doi.org/10.1007/s00190-012-0566-3.
8. Wanner G. Space-based gravitational wave detection and how LISA Pathfinder successfully paved the way // Nature Physics. 2019. 15. P. 200–202. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0462-3
9. Zhang Y., Hines A.S., Valdes G., Guzman F. Investigation and mitigation of noise contributions in a compact heterodyne interferometer // Sensors. 2021. V. 21. № 17. P 5788:1–18. https://doi.org/10.3390/s21175788
10. Wu C.M., Deslattes R. Analytical modeling of the periodic nonlinearity in heterodyne interferometry // Applied Optics. 1998. V. 37. № 28. P. 6696–6700. https://doi.org/10.1364/AO.37.006696
11. Joo K.N., Ellis J.D., Spronck J.W., van Kan P.J., Schmidt R.H. Simple heterodyne laser interferometer with subnanometer periodic errors // Optics Letters. 2009. V. 34. № 3. P. 386–388. https://doi.org/10.1364/ol.34.000386
12. Wand V., Bogenstahl J., Braxmaier C., Danzmann K., Garcia A., Guzmán F., Heinzel G., Hough J., Jennrich O., Killow C. Noise sources in the LTP heterodyne interferometer // Classical and Quantum Gravity. 2006. V. 23. P. S159. https://doi.org/10.1088/0264-9381/23/8/S21
13. Heinzel G., Wand V., Garcia A., Guzman F., Steier F., Killow C., Robertson D.L., Ward H. Investigation of noise sources in the LTP Interferometer S2-AEI-TN-3028. 2008. http://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0013-4724-5 (accessed on 7 April 2021)
14. Salvadé Y., Dändliker R. Limitations of interferometry due to the flicker noise of laser diodes // Journal of the Optical Society of America A. 2000. V. 17. P. 927–932. https://doi.org/10.1364/JOSAA.17.000927
15. Drever R.W.P., Hall J.L., Kowalski F.V., Hough J., Ford G.M., Munley A.J., Ward H. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator // Applied Physics B. 1983. V. 31. P. 97–105. https://doi.org/ 10.1007/BF00702605
16. Supplee J.M., Whittaker E.A., Lenth W. Theoretical description of frequency modulation and wavelength modulation spectroscopy // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 6294–6302.
17. Numata K., Yu A.W., Jiao H., Merritt S.A., Micalizzi F., Fahey M.E., Camp J.B., Krainak M.A. Laser system development for the LISA (Laser Interferometer Space Antenna) mission // In Solid State Lasers XXVIII: Technology and Devices // Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series. 2019. V. 10896. P. 108961H. https://doi.org/10.1117/12.2508181
18. Gibert F., Nofrarias M., Karnesis N. et al. Thermo-elastic induced phase noise in the LISA Pathfinder spacecraft // Classical and Quantum Gravity. 2015. V. 32. № 4. P. 045014. https://doi.org/10.1088/0264-9381/32/4/045014
