基于紧凑光学腔体的亚亚微米位移感测技术 Demonstration

我们展示了一种基于紧凑光学腔体的激光干涉技术（称为杂合波导跟踪）实现的亚亚微米位移感测结果，旨用于局部位移或惯性感测，具备超高灵敏度。达到此灵敏度的位移感测是对当前引力波探测器进行大幅改进以及开启未来地面和空间基准观测站所必需的。该光学拓扑结构采用尺度为厘米的动态腔体，内含质量块，其相对长度波动通过杂合读出进行测量。该技术的基本极限显著低于亚微米水平，最终由腔体镜面的涂层热噪声决定。在我们的实验演示中，我们实现了在 8 Hz 以上的傅里叶频率下亚亚微米每 Hz^{1/2} 位移灵敏度，以及在 3 mHz 以上亚皮微米每 Hz^{1/2} 灵敏度；而在更低频率下的灵敏度受机械和温度引起的噪声限制。当动态腔体被有意操纵时，该技术可跟踪最大约 0.6 \mu m 位移，从而在位移感测中实现约十个数量级的动态范围。我们在实验室环境中展示了该方案的关键特征——亚亚微米性能及其跨越十个数量级的动态范围，为开发集成系统铺平了道路。该系统是目前尚未实现的技术，对于未来数十年的精密物理实验是必需的。