| 摘要: | 自從2015年，LIGO成功使用雷射干涉儀測量重力波之後，重力波已成為天文與宇宙學觀測一個新的信號源，它填補了部分傳統電磁波望遠鏡難以觀測的天文現象，也為多信使天文學開啟新的窗口。
目前，主流的地面干涉儀，如LIGO、VIRGO、KAGRA等，主要以10赫茲以上的重力波信號作為觀測目標，而計畫中的太空干涉儀，如LISA等，則以0.01赫茲以下的超低頻信號為主，為了填補目前主流觀測器遺漏的頻段，中央大學物理系與中央研究院物理研究所聯合提出以0.1赫茲到10赫茲頻段作為觀測目標的次世代低溫雙扭桿重力探測器(CHRONOS)。
作為CHRONOS計畫的中期目標，我們將打造一座傳統雷射干涉儀作為雙扭桿重力探測器的技術測試平台，我們將測試包含電子控制系統、懸吊系統、被動式減震系統、主動式回饋控制減震系統、穩定雷射系統等科技。
在本研究中，我主要將集中在干涉儀中分光鏡的減震系統之測試與改進，我將解釋減震系統之設計，包含四層被動減震設計及兩層主動回饋控制減震系統，並展示主動回饋控制之測試結果。
主動回饋控制減震系統，可分為兩部分：倒擺平台回饋控制及測試質量回饋控制，藉由光學感測器測量震動造成之位移，並使用電磁鐵制動器進行反饋以達到降低震動之功效。
在倒擺平台回饋控制，我們嘗試縱軸、橫軸及偏擺方向進行回饋控制，藉由測量開迴路傳遞函數來判別回饋控制區間，並通過調整控制系統中數位濾波器之設定來調整控制區間之後，在橫軸及縱軸方向控制由於制動器功率不足導致增益小於單位增益，因此無法達到控制，而偏擺方向控制則是成功於10赫茲以下之頻段達到接近10分貝增益，並且能保持足夠相位裕度，同時，從噪音頻譜來看可以發現10赫茲以下之噪音相較於啟動控制前有明顯下降。
在測試質量回饋控制，我們嘗試縱軸、俯仰及偏擺方向進行回饋控制，藉由測量開迴路傳遞函數，並通過調整控制系統中數位濾波器之設定來調整控制區間之後，在縱軸方向控制由於制動器功率不足導致增益小於單位增益，因此無法達到控制，而偏擺及俯仰方向控制分別在4赫茲及4.5赫茲以下之頻段達到接近10分貝增益，並且能保持足夠相位裕度，同時，從噪音頻譜來看可以發現4赫茲以下之噪音相較於啟動控制前有明顯下降。
最後我們嘗試以簡化之干涉儀架構對雷射系統及分光鏡進行整合，並藉比較波包標準差(Hc)之大小判斷不同回控控制之下系統的穩定度。;Since 2015, when LIGO first detected gravitational waves with a laser interferometer, gravitational wave astronomy has become a new observational window for astrophysics and cosmology. It complements traditional electromagnetic observations and opens the era of multi-messenger astronomy.
Ground-based interferometers such as LIGO, VIRGO, and KAGRA primarily target signals above 10 Hz, while planned space projects like LISA focus on ultralow-frequency signals below 0.01 Hz. To fill the gap between these bands, National Central University and Academia Sinica jointly proposed CHRONOS, a next-generation cryogenic torsion bar gravitational wave detector operating in the 0.1Hz to 10 Hz range.
As a mid-term goal of the CHRONOS program, we are constructing a conventional laser interferometer as a technology testbed. This platform allows us to develop and evaluate key components of an interferometric gravitational-wave detector, including the digital control system, suspension system, active vibration isolation system, and laser-stabilization setup.
This study focuses on the testing and development of the vibration isolation system for the interferometer beam splitter. We describe a four-stage passive vibration isolation system and a two-stage active vibration isolation system, and present the performance of the active feedback control.
The active feedback system consists of two parts: the inverted pendulum stage and the test mass stage control. Vibrations are measured with optical sensors and suppressed by coil actuators.
For the inverted pendulum stage, yaw control successfully achieved nearly 10 dB of suppression below 10 Hz with sufficient phase margin, while X and Y degrees of freedom were limited by saturation due to the insufficient actuator power.
For the test mass, pitch and yaw degrees of freedom achieved control below 4Hz and 4.5 Hz seperately, whereas length control again remained ineffective due to insufficient gain caused by insufficient actuator power. Noise spectrum in test systems show clear reduction below 4Hz once control is engaged.
Finally, we integrated the laser system with a simplified interferometer to evaluate overall system stability, using the standard deviation of the envelope(Hc) as a performance indicator under different control configurations. |
