An optical readout for the LISA gravitational reference sensor

Abstract

Der weltraumgestützte Gravitationswellendetektor LISA (Laser Interferometer Space Antenna) besteht aus drei identischen Satelliten an Bord derer sich jeweils zwei frei schwebende Testmassen befinden. Die Lage der einzelnen Testmassen in Bezug auf die zugehörige optische Bank muss mit einer Genauigkeit besser 1 pm/sqrt(Hz) in der Abstands- und besser 10 nrad/sqrt(Hz) in der Winkelmessung erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wird ein kompaktes optisches Auslesesystem präsentiert, welches als Prototyp für diese Abstands- und Winkelmetrologie dient. Das dafür entwickelte polarisierende Heterodyn-Interferometer mit räumlich getrennten Frequenzen basiert auf einem hoch-symmetrischen Design, bei dem zur optimalen Gleichtakt-Unterdrückung Mess- und Referenzarm die gleiche Polarisation und Frequenz sowie annähernd gleiche optische Pfade haben. Für die Winkelmessung wird die Methode der differentiellen Wellenfrontmessung eingesetzt. In einem ersten Prototyp-Aufbau wird ein Rauschniveau von weniger als 100 pm/sqrt(Hz) in der Translations- und von weniger als 100 nrad/sqrt(Hz) in der Winkelmessung (beides für Frequenzen oberhalb 0.1 Hz) demonstriert. In einem zweiten Prototyp-Aufbau werden zusätzlich eine Intensitätsstabilisierung und ein Phasenlock der beiden Frequenzen implementiert. Die analoge Phasenmessung ist durch eine digitale, FPGA basierte, ersetzt. Mit diesem Aufbau wird ein Rauschen kleiner 5 pm/sqrt(Hz) in der Translationsmessung und kleiner 10 nrad/sqrt(Hz) in der Winkelmessung, beides für Frequenzen größer 0.01 Hz, erreicht. Eine Rausch-Analyse wurde durchgeführt und die Nichtlinearitäten des Interferometers bestimmt. Das Interferometer wurde im Hinblick auf die LISA Mission entwickelt, findet seine Anwendung aber auch bei der Charakterisierung der dimensionalen Stabilität von ultra-stabilen Materialien sowie in der optischen Profilometrie. Die Adaptierung des Interferometers dazu sowie erste Resultate zu beiden Anwendungen werden in dieser Arbeit präsentiert.

The space-based gravitational wave detector LISA (Laser Interferometer Space Antenna) consists of three identical satellites. Each satellite accommodates two free-flying proof masses whose distance and tilt with respect to its corresponding optical bench must be measured with at least 1 pm/sqrt(Hz) sensitivity in translation and at least 10 nrad/sqrt(Hz) sensitivity in tilt measurement. In this thesis, a compact optical readout system is presented, which serves as a prototype for the LISA proof mass attitude metrology. We developed a polarizing heterodyne interferometer with spatially separated frequencies. For optimum common mode rejection, it is based on a highly symmetric design, where measurement and reference beam have the same frequency and polarization, and similar optical pathlengths. The method of differential wavefront sensing (DWS) is utilized for the tilt measurement. In a first prototype setup noise levels below 100 pm/sqrt(Hz) in translation and below 100 nrad/sqrt(Hz) in tilt measurement (both for frequencies above 0.1 Hz) are achieved. A second prototype was developed with additional intensity stabilization and phaselock of the two heterodyne frequencies. The analog phase measurement is replaced by a digital one, based on a Field Programmable Gate Array (FPGA). With this setup, noise levels below 5 pm/sqrt(Hz) in translation measurement and below 10 nrad/sqrt(Hz) in tilt measurement, both for frequencies above 0.01Hz, are demonstrated. A noise analysis was carried out and the nonlinearities of the interferometer were measured. The interferometer was developed for the LISA mission, but it also finds its application in characterizing the dimensional stability of ultra-stable materials such as carbon-fiber reinforced plastic (CFRP) and in optical profilometry. The adaptation of the interferometer and first results in both applications are presented in this work.