Active Vibration Isolation using Active Vibration Isolation using a Suspension Point Interferometera Suspension Point Interferometer

Yoichi Aso, University of TokyoYoichi Aso, University of Tokyo

IntroductionIntroductionSuspension Point Interferometer (SPI) is an active vibration isolation scheme for interferometric Suspension Point Interferometer (SPI) is an active vibration isolation scheme for interferometric gravitational  wave  detectors  using  auxiliary  interferometers  as  sensors.  The  auxiliary gravitational  wave  detectors  using  auxiliary  interferometers  as  sensors.  The  auxiliary interferometers  (SPI)  are  formed  at  the  suspension  points  of  the  mirrors  of  the  main interferometers  (SPI)  are  formed  at  the  suspension  points  of  the  mirrors  of  the  main interferometer  as  shown  bellow.  The  seismic  vibration  can  be  blocked  at  the  SPI  stage  by interferometer  as  shown  bellow.  The  seismic  vibration  can  be  blocked  at  the  SPI  stage  by monitoring the seismic motion with the SPI and feeding the error signal back to the mirrors of monitoring the seismic motion with the SPI and feeding the error signal back to the mirrors of the SPI.the SPI.This  scheme  is  expected  to  be  useful  for  the  next  generation  detectors  such  as  LCGT,  which This  scheme  is  expected  to  be  useful  for  the  next  generation  detectors  such  as  LCGT,  which requires better low frequency vibration isolation and reduction of the vibration from heat link requires better low frequency vibration isolation and reduction of the vibration from heat link wires to cool down the mirrors. wires to cool down the mirrors. 

Working principleWorking principle

The  figure  below  shows one  arm of  a  Fabry­Perot­Michelson  interferometer  equipped  with  a The  figure  below  shows one  arm of  a  Fabry­Perot­Michelson  interferometer  equipped  with  a SPI. When the upper interferometer (SPI) is  locked to the laser frequency, the two mirrors of SPI. When the upper interferometer (SPI)  is  locked to the laser frequency, the two mirrors of the SPI act like a virtual rigid bar and resist to differential forces caused by seismic vibration to the SPI act like a virtual rigid bar and resist to differential forces caused by seismic vibration to change the length between the mirrors. In this way, the differential motion of the SPI mirrors, change the length between the mirrors. In this way, the differential motion of the SPI mirrors, which causes the length change of the main interferometer, is suppressed. While the common which causes the length change of the main interferometer, is suppressed. While the common motion  is  not  suppressed  by  the  SPI,  it  does  not  cause  the  length  change  in  the  main motion  is  not  suppressed  by  the  SPI,  it  does  not  cause  the  length  change  in  the  main interferometer  in  principle.  However,  in  the  real  case,  a  fraction  of  the  common  motion  is interferometer  in  principle.  However,  in  the  real  case,  a  fraction  of  the  common  motion  is converted  into  the  length  variation  of  the  main  interferometer  due  to  the  asymmetry  in  the converted  into  the  length  variation  of  the  main  interferometer  due  to  the  asymmetry  in  the suspension  system.  This  asymmetry  sets  a  limit  to  the  performance  of  the  active  vibration suspension  system.  This  asymmetry  sets  a  limit  to  the  performance  of  the  active  vibration system using a SPI. system using a SPI. 

Rigid barRigid bar

LaserLaser

Advantages and ApplicationsAdvantages and Applications

ResultsResultsThe figure below shows the displacement equivalent noise spectra of the main interferometer and The figure below shows the displacement equivalent noise spectra of the main interferometer and an electronics noise spectrum. The red spectrum was taken when the SPI  is not  locked, while the an electronics noise spectrum. The red spectrum was taken when the SPI  is not  locked, while the blue  curve  shows  the  spectrum  with  the  SPI  locked.  The  green  curve  is  the  spectrum  of  the blue  curve  shows  the  spectrum  with  the  SPI  locked.  The  green  curve  is  the  spectrum  of  the electronics noise.electronics noise.Below 2Hz, the noise of the main interferometer was suppressed typically by 20dB using the SPI. Below 2Hz, the noise of the main interferometer was suppressed typically by 20dB using the SPI. The  tall  peak  in  the  blue  curve  at  0.8Hz  is  the  pendulum  mode  of  the  main  interferometer's The  tall  peak  in  the  blue  curve  at  0.8Hz  is  the  pendulum  mode  of  the  main  interferometer's mirrors ,which can be considered to be suspended from a virtual rigid bar. The fact that this peak mirrors ,which can be considered to be suspended from a virtual rigid bar. The fact that this peak has a high quality factor supports the virtual rigid bar picture of the SPI's working principle.has a high quality factor supports the virtual rigid bar picture of the SPI's working principle.

At frequencies above 2Hz, there is no difference between the blue and red curves. This means the At frequencies above 2Hz, there is no difference between the blue and red curves. This means the sensitivity of the main interferometer is limited by noises other than the horizontal seismic motion. sensitivity of the main interferometer is limited by noises other than the horizontal seismic motion. We suspect that it is coupling from other degrees of freedom such as alignment fluctuation.We suspect that it is coupling from other degrees of freedom such as alignment fluctuation.

ExperimentExperiment

Recoil massRecoil massMain massMain mass

SPI massSPI mass

MGAS filter 2MGAS filter 2Damping massDamping mass

Eddy current plateEddy current plate

MGAS filter 1MGAS filter 1

40cm40cm

1m1m

Main InterferometerMain Interferometer

SPISPI

Future worksFuture works ReferenceReference

Y. Aso et. al., Y. Aso et. al., Physics Letters A, 327 (1) 1­8, 2004Physics Letters A, 327 (1) 1­8, 2004

R.W.P. Drever, R.W.P. Drever, LIGO Document T870001­00­R, 1987LIGO Document T870001­00­R, 1987

66thth Edoardo Amaldi Conference on Gravitational Waves  Edoardo Amaldi Conference on Gravitational Waves at Bankoku Shinryoukan, Okinawaat Bankoku Shinryoukan, Okinawa

MC TankMC Tank

Suspension systemSuspension system

1.4m1.4m

Objective: Objective:  Demonstration of the active vibration isolation using an SPI.Demonstration of the active vibration isolation using an SPI.

● 1.4m long Fabry­Perot interferometer.1.4m long Fabry­Perot interferometer.● Triple pendulum suspension with two low­frequency vertical Triple pendulum suspension with two low­frequency vertical 

vibration isolation stages.vibration isolation stages.● 20cm rigid triangular cavity mode cleaner for laser mode cleaning 20cm rigid triangular cavity mode cleaner for laser mode cleaning 

and frequency stabilization.and frequency stabilization.● 200mW Nd:YAG Laser.200mW Nd:YAG Laser.● Wave Front Sensors for alignment stabilization.Wave Front Sensors for alignment stabilization.

Low noise active vibration system Low noise active vibration system 

Reduction of the RMS motion of the mirrorsReduction of the RMS motion of the mirrors

Easy lock acquisitionEasy lock acquisition

Stable operation Stable operation 

Apparatus:Apparatus:

Cryogenic interferometers (LCGT etc.)Cryogenic interferometers (LCGT etc.)

Reduction of actuator noiseReduction of actuator noise

The performance of an active vibration isolation system is The performance of an active vibration isolation system is usually  limited  by  the  noise  of  the  sensors  used.  In  our usually  limited  by  the  noise  of  the  sensors  used.  In  our scheme, sensor is an interferometer which can essentially scheme, sensor is an interferometer which can essentially be as sensitive as the main interferometer. This low­noise be as sensitive as the main interferometer. This low­noise feature makes the SPI a high performance active vibration feature makes the SPI a high performance active vibration isolation system.isolation system.

Cryogenic  interferometers  such  as  LCGT  use  heat  link Cryogenic  interferometers  such  as  LCGT  use  heat  link wires  to  suck  out  the  heat  generated  in  the  mirrors. wires  to  suck  out  the  heat  generated  in  the  mirrors. However these wires also introduce extra vibration from However these wires also introduce extra vibration from cold stages.cold stages.SPI  can  also  be  used  to  suppress  the  extra  vibration  as SPI  can  also  be  used  to  suppress  the  extra  vibration  as well as the seismic vibration. well as the seismic vibration. 

Cold stageCold stage

Since SPI is an active system, it works well at very low frequencies. Since SPI is an active system, it works well at very low frequencies. Consequently one can reduce the residual motion of the mirrors.Consequently one can reduce the residual motion of the mirrors.

Heat linkHeat link

Expected advantages from Expected advantages from the RMS reduction includes:the RMS reduction includes:

Identify the limiting noise source at frequencies above 2Hz.Identify the limiting noise source at frequencies above 2Hz.

Improve the sensitivities of the Wave Front Sensors.Improve the sensitivities of the Wave Front Sensors.

Development  of  effective ways  to  adjust  the  alignment Development  of  effective ways  to  adjust  the  alignment of each interferometer independently.of each interferometer independently.

Suspension system modification.Suspension system modification.

Displacement equivalent noise spectra of the main interferometer.Displacement equivalent noise spectra of the main interferometer.