Digital control systems in the regeneration cavity of ALPS IIa

Abstract

ALPS II ist ein Licht durch die Wand-Experiment, das nach axionartigen Teilchen sucht. Diese Experimente zielen darauf ab axionartige Teilchen in einem Labor zu erzeugen und zu messen, wobei in Gegenwart eines Magnetfelds die Oszillation zwischen Photonen und axionartige Teilchen erfolgt. ALPS II baut auf die Neuerungen seines Vorgängerexperiments ALPS I auf: optische Resonatoren zur Verbesserung der Empfindlichkeit. ALPS II wird einen Produktionsresonator (PC) verwenden, um die Anzahl der zur Erzeugung von axionartigen Teilchen verfügbaren Photonen zu erhöhen und einen Regenerationsresonator (RC), um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass axionartige Teilchen zurück in Photonen konvertieren.

Um das Licht in den Resonatoren resonant zu überhöhen, muss das auf den Resonator einfallende Laserlicht, auch in Gegenwart von Rauschquellen, an die Resonanz des Resonators angepasst werden. Zusätzlich müssen die Resonanzen der beiden Resonatoren so aufeinander abgestimmt werden, dass die Rekonversionswahrscheinlichkeit der axionartigen Teilchen im RC erhöht wird. Die Anforderung an das Frequenzrauschen zwischen den beiden Resonatoren für ALPS IIc müssen kleiner sein als eine Effektivwertabweichung (RMS) von 3.0 Hz. Dies erfordert die Verwendung von Regelkreisen mit hohen Regelbandbreiten.

ALPS IIa ist ein kleineres Experiment zum Testen und Charakterisieren kritischer Systeme für den Einsatz in ALPS IIc. ALPS IIa verfügt über Räumlichkeiten, in denen zwei Resonatoren, ähnlich der PC und RC in ALPS IIc, aufgebaut sind. Regelkreise können entworfen und getestet werden, um sie für die Eignung in ALPS IIc zu testen und die Leistungsfähigkeit alternativer Designs kann im kleinen Maßstab evaluiert werden.

In dieser Dissertation werden die grundlegenden analogen Regelkreise der ALPS IIa RC charakterisiert. Dazu gehören Frequenzstabilisierungssysteme für zwei Laserquellen und ein Längenstabilisierungssystem. Das Rauschen dieses Längenstabilisierungssystems wird auf die Anforderungen der Resonanzüberlappung zwischen den beiden Resonatoren projiziert und ein RMS Wert von 1.0 Hz sollte mit diesem System erreicht werden.

Um die Funktionsfähigkeit digitaler Regelsysteme zu untersuchen, werden zwei digitale Frequenzstabilisierungssysteme getestet: eines, das analoge Servo ersetzt, und eines, das zusätzlich das analoge Demodulationssystem ersetzt. Das RMS des Frequenzrauschens beider digitaler Systeme liegt innerhalb eines Faktors von zwei des vollständig analogen Systems. Das System mit der digitalen Demodulation ist das leistungsfähigere der beiden Systeme.

Ein vollständig digitales System ist so ausgelegt, dass es Phasenänderungen zwischen dem in den beiden Resonatoren zirkulierenden Licht erfasst, um Phasendifferenzen zu minimieren. Dieses System kann die Laserfrequenz beeinflussen und eine ähnliche Stabilität wie andere Frequenzstabilisierungsysteme erreichen.

ALPS II is a light-shining-through-a-wall experiment that will search for axion-like particles. These experiments seek to generate and measure axion-like particles in a laboratory using oscillations between photons and axions in the presence of a magnetic field. ALPS II builds on the innovation of its predecessor, ALPS I: optical cavities to enhance the sensitivity. ALPS II will use a production cavity (PC) to increase the number of photons available to generate axion-like particles, and a regeneration cavity (RC) to enhance the probability of the axion-like particles oscillating back into photons.

To resonantly enhance the light in the cavities, the input laser light needs to be well-matched to the resonance of the cavities even in the presence of disturbances. Additionally, the resonances of the two cavities must be matched such that the axion-like particles' reconversion probability is enhanced in the RC. The requirement on the frequency noise between the two cavities for ALPS IIc is a root-mean-square (RMS) deviation of smaller than 3.0 Hz. This necessitates the use of high-performance control loops.

ALPS IIa is a smaller-scale experiment to test and characterize critical systems for use in the full-scale ALPS IIc. ALPS IIa has the facilities for two cavities to mirror the PC and RC in ALPS IIc. Control systems can be designed and tested to determine their suitability for use in ALPS IIc, and alternative designs can be compared based on their performance in the short-scale experiment.

In this thesis, the baseline analog control systems in the ALPS IIa RC are characterized. These include frequency actuation systems for two laser sources, and a length actuation system. The noise of this length actuation system is projected onto the requirements of the resonance overlap between the two cavities and an RMS of 1.0 Hz should be achievable with this system.

In order to investigate the viability of digital control systems, two digital frequency control systems are tested: one that replaces the analog servo, and one that replaces the analog demodulation system as well. The RMS of the frequency noise of both digital systems is within a factor of two of the fully analog system. The system with the digital demodulation is the better-performing of the two.

A fully digital system is designed to sense phase changes between the light circulating in the two cavities to minimize that phase difference. This system is able to actuate on laser frequency to achieve similar performance to other frequency control systems.