g1300524 als amaldi10 v1 - dcc-llo.ligo.org · the$arm$length$stabilizaon$system$...

19
The Arm Length Stabiliza2on System for Advanced LIGO Lock Acquis2on Adam Mullavey Louisiana State University for the LIGO ISC LIGOG1300524 Amaldi10/GR20 Conference 7/9/2013

Upload: vobao

Post on 24-Feb-2019

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

The  Arm  Length  Stabiliza2on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquis2on  

Adam  Mullavey    Louisiana  State  University  

 for  the  LIGO  ISC  

 

LIGO-­‐G1300524  Amaldi10/GR20  Conference  7/9/2013  

Acknowledgments  

•  LIGO  Hanford  –  Daniel  Sigg,  Keita  Kawabe,  Kiwamu  Izumi,  Sheila  Dwyer  

•  LIGO  Caltech  –  Rana  Adhikari,  Koji  Arai,  Aidan  Brooks,  David  Yeaton-­‐Massey  

•  LIGO  MIT  –  Peter  Fritschel,  MaX  Evans,  Lisa  BarsoZ,  John  Miller  

•  The  Australian  Na2onal  University  –  Bram  Slagmolen,  Daniel  Shaddock,  David  McClelland,    

•  Other  –  Stefan  Ballmer  (Syracuse  University),  Alexa  Staley  (Columbia  

University),  Alberto  Stochino  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     2  

Lock  Acquisi2on  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     3  

Power RecyclingMirror

BeamSplitter

Input Test Mass

X

End Test Mass

X

Input Test Mass

Y

EndTest Mass

Y

Signal RecyclingMirror

Pre-StabilizedLaser

Five  Degrees  Of  Freedom  To    Sense  and  Control:    •  DARM  (Differen2al  ARM)    •  CARM  (Common  ARM)  •  MICH  (MICHelson)  •  PRCL  (Power  Recycling  Cavity  Length)  •  SRCL  (Signal  Recycling  Cavity  Length)  

Difficul2es  

•  Coupled  Free  Swinging  Cavi2es  –  Sensing  matrix  in  a  state  of  flux  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     4  

S1S2•

SN

!

"

######

$

%

&&&&&&

=

!

"

####

$

%

&&&&

DARMCARMMICHPRCLSRCL

!

"

######

$

%

&&&&&&

Dynamic  Sensing  Matrix  

•  Narrow  locking  range  –  Cavity  swinging  too  fast  –  Actuators  too  weak  to  catch  lock  

Lock  Acquisi2on  

•  Simplify  the  problem  by  decoupling  CARM  and  DARM,  using  independent  sensors.  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     5  

•  Introducing  the  Arm  Length  Stabiliza2on  system  

ALSDARMALSCARMS1S2•

SN

!

"

#######

$

%

&&&&&&&

=

1 0 0 0 00 1 0 0 00 0 M11 M12 M13

0 0 M21 M22 M23

• • • • •0 0 MN1 MN1 MN 3

!

"

########

$

%

&&&&&&&&

DARMCARMMICHPRCLSRCL

!

"

######

$

%

&&&&&&

Arm  Length  Stabiliza2on  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     6  

Power RecyclingMirror

BS

Input Test Mass

X

End Test Mass

X

Input Test Mass

Y

EndTest Mass

Y

Signal RecyclingMirror

Pre-StabilizedLaser

ALS CommX-PSL Inference

ALS DiffX-Y Inference

AuxiliaryLaser

AuxiliaryLaser

SecondHarmonicGenerator

•  Uses  Auxiliary  Lasers  locked  to  the  Arm  Cavi2es  

•  TransmiXed  Aux  light  combined  with  doubled  PSL  to  form  a  heterodyne  signals  

End  Sta2on  

The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on    7/9/13   7  

EndTest Mass

Auxiliary Laser

Servo

PhaseModulator

PhaseFrequency

Discriminator

40MHz

24MHz

PSL Light viaOptical Fiber

Laser Locking LoopUGF~30kHz

PDH LoopUGF~10kHz

Servo

•  Auxiliary  Laser  –  Dual  Wavelength  (532nm  and  1064nm)  –  First  Locked  to  PSL  –  Locked  to  Arm  Cavity,  via  PDH  technique  and  fed  back  to  40MHz  VCO  

ALS  -­‐  Corner  Sta2on  

The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on    7/9/13   8  

ALS Diff(X-Y Inference)

Input Mode Cleaner

Power RecyclingMirror

BeamSplitter

InputTest Mass

X

ALS Comm(X-PSL Inference)

PhaseModulator

ServoPhase

FrequencyDiscriminator

PhaseFrequency

Discriminator

Pre-Stabilised Laser

Second Harmonic Generator

80MHz +Offset

InputTest Mass

Y

Servo

160MHz +Offset

Differentially to End

Test Masses

•  ALS  Comm    –  fed  back  to  PSL  frequency  (via  IMC)    –  Offset  injected  into  loop  for  tuning  

of  resonance  

•  ALS  Diff    –  fed  back  differen2ally  to  ETMs  

Prototype  Experiments  

•  Couple  of  experiments  to  test  out  ALS  technique  on  single  cavity:  –  ANU  Benchtop  Experiment  ([1]  Mullavey  et.  Al)  –  Caltech  40m  Experiment  ([2]  Izumi  et.  al)  

The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on    7/9/13   9  

ANU  Benchtop  Experiment  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     10  

Tip Tilt 2

15MHz

10MHz

Tip Tilt Mirror Control (CDS)

ALSgain

IR PDHgain

ADC

ADC

DAC

DAC

DAC

ADCAuxiliary LaserLocking FPGA

Relative FrequencyMeasurement FPGA

FrequencyO!set

AuxiliaryLaser

532nm1064nm

Tip Tilt 1

CavityController

ADC

EOM

EOM

ScienceLaser

1064nm

•  1.3m  cavity  •  Suspended  mirrors  •  Beatnote  from  

1064nm,  not  532nm  •  Feedback  to  arm  

length  not  Science  Laser  

ANU  Bench-­‐top  Results  

The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on    7/9/13   11  

Mullavey  et  al  

30pm  RMS,  approx  1/30th  cavity  line-­‐width  

-20 0 20 40 60 80 100 120 1400

0.5

1

Pow

er (a

rb)

-20 0 20 40 60 80 100 120 140-1

0

1

Sign

al (a

rb)

-20 0 20 40 60 80 100 120 1400

0.5

1

Frequency Offset (MHz)

Pow

er (a

rb)

Tuneable  over  full  free  spectral  range  

Caltech  40m  Experiment  

•  40m  cavity  •  Beatnote  from  532nm  

•  Feedback  to  arm  length  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     12  

Caltech  40m  Results  

The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on    7/9/13   13  

Izumi  et.  al.  24pm  RMS  

24  pm  RMS  

Tuning  On  and  Off  Resonance  

Progress  at  the  Sites  

•  Hanford  – Y  sta2on  ALS  installed  and  commissioned  (One  Arm  Test)  

– Half  Interferometer  (HIFO)  test,  i.e.  effec2vely  ALS-­‐Comm  loop  

•  Livingston  – Basically  nothing  yet  (wai2ng  for  an  arm)  

The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on    7/9/13   14  

Power RecyclingMirror

BS

Input Test Mass

Y

EndTest Mass

Y

Signal RecyclingMirror

Pre-StabilizedLaser

ALS CommY-PSL Inference

AuxiliaryLaser

SHG

Hanford  HIFO  test  

•  Beat  signal  between  Y-­‐ARM  and  doubled  PSL      

•  Using  actual  LIGO  ALS  system:  electronics,  etc.  

•  Feeding  back  to  PSL  (via  IMC)  

The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on    7/9/13   15  

HIFO  Residual  Noise  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     16  

Frequency (Hz)-210 -110 1 10 210

)1/

2Fr

eque

ncy

Fluc

tuat

ion

(Hz/

Hz

-110

1

10

HIFO-Y Frequency Noise

T0=29/06/2013 04:00:00 Avg=10/Bin=11L BW=0.0117178

IR transmitted lightRMS

HIFO-Y Frequency Noise

1/10  the  linewidth  of  the  arm  cavity  

Future  

•  Hanford  – Con2nue  Noise  Hun2ng,  <  CARM  linewidth  (100  2mes  smaller  than  Arm  Linewidth)  

– HIFO  X  (soon)  – Full  IFO  (May  2014)  

•  Livingston  – HIFO  X  (October  2013)  – Full  IFO  (February  2014)  

The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on    7/9/13   17  

References  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     18  

[1]  Mullavey  et.  al,  Op2cs  Express,  Vol  20,  Issue  1,  pp  81-­‐89  (2012)  

[2]  Izumi  et.  al,  JOSA  A,  Vol.  29,  Issue  10,  pp.  2092-­‐2103  (2012)  

Backup  Slides  

7/9/13   The  Arm  Length  Stabiliza7on  System  for  Advanced  LIGO  Lock  Acquisi7on     19