Analyse des sources de bruit limitant la sensibilité de l’interféromètre VIRGO

Romain Gouaty, doctorant au LAPP (Annecy),

pour la collaboration VIRGO

Strasbourg, 01/06/05 Journées SF2A, session PCHE

Sommaire

Introduction

Analyse des courbes de sensibilité de VIRGO (runs de Commissioning)

Utilisation de la simulation

Bilan et perspectives

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Les courbes de sensibilité du Commissioning

! h m/Hz

x 3000

C1 & C2 : simple cavité Fabry-Perot / C3 & C4 : Recombiné / C5 & after : Recyclé

10 W

0.7 W

• Contrôle du « full Virgo » : premier objectif atteint (Octobre 2004)

• Réduire les bruits instrumentaux pour atteindre la sensibilité nominale deuxième phase du Commissioning (« Noise hunting »)

x 50

3

Introduction

Objectifs de cette analyse :

Identifier les sources de bruit qui limitent la sensibilité de l’intertféromètre

Comprendre comment ces bruits se propagent dans l’interféromètre

Deux approches sont utilisées :

L’analyse des données prises pendant les runs de Commissioning

La simulation

4

I - Première approche : Techniques d’analyse utilisant les données des runs de Commissioning

5

Méthode utilisée pour identifier un bruit limitant la courbe de sensibilité

1. Première étape : Identifier les sources de bruits éventuelles

Méthode : fonctions de cohérence entre le signal de frange noire et les autres canaux (signaux de correction envoyés sur les miroirs, signaux de monitoring)

2. Deuxième étape : Comprendre le mécanisme de propagation du bruit depuis la source jusqu’au signal de frange noire

Méthode : trouver un modèle analytique décrivant la propagation du bruit

3. Etape finale : Projection du bruit sur la courbe de sensibilité

Modèle analytiqueet/ou Mesure de fonction de transfert, en injectant du bruit

Validation de l’analyse : bruit identifié et mécanisme de propagation compris

Amélioration du système concerné et/ou réduction de la source de bruit

6

Laser0

B1

+

-

Contrôle du Mode Différentiel

Signal de frange noire

(sensible à l’asymétrie de longueur des Fabry-Perot)

Exemple : la configuration RecycléSchéma de locking

7

Laser0

B2

+

-

Contrôle du Mode Différentiel

Miroir de recyclage

B1

Exemple : la configuration RecycléSchéma de locking

Signal réfléchi par l’interféromètre

(sensible à une variation de longueur de la cavité de

recyclage)

8

Laser0

+

-

Contrôle du Mode Différentiel

B5

Miroir de recyclage

Séparatrice (correction de l’asymétrie du petit Michelson)

Asservissement de la fréquence du

laser B5p

B5q

B1

B2

Exemple : la configuration RecycléSchéma de locking

Signal réfléchi par la deuxième face de la

séparatrice

9

Sensibilité du Run C5 (décembre 2004)

Sensibilité du run C5 (0,7W)

Design (10W)

Bruit « électronique » lié à la quantité et la qualité du signal

arrivant sur la photodiode B1

Bruits de contrôle

• Haute fréquence (400 Hz - 10 kHz) : bruit « électronique » sur le signal de frange noire

• Basse fréquence (10 Hz - 100 Hz) : bruits introduits par les contrôles (longitudinaux, angulaires)

Exemples développés:

• identification du bruit de contrôle longitudinal de la séparatrice

• bruit de l’électronique des actionneurs des miroirs

10

Exemple du bruit de contrôle longitudinal de la séparatrice :

Les trois étapes de l’identification d’un bruit

11

Première étape : Rechercher des signaux de contrôle cohérents avec le signal de frange noire

Fonctions de cohérence entre le signal de frange noire et des signaux de correction

Contrôles angulaires Contrôles longitudinauxCorrection envoyée sur la séparatrice

Correction envoyée sur le miroir de recyclage

Entre 10 et 100 Hz :

signal de frange noire cohérent avec les signaux de correction envoyés sur la séparatrice et le miroir de recyclage

De quelle boucle de contrôle le bruit provient-il vraiment ?

trouver un modèle de propagation

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Correction angulaire du miroir d’entrée du bras Ouest

Correction angulaire de la séparatrice

But : convertir le bruit en un déplacement équivalent des miroirs de bout de bras (asymétrie des Fabry-Perot)

Modèle : Signal de correction x FT(actionneurs) x 1/30

FT(actionneurs) = FT(électronique) x FT(pendule)

Deuxième étape : Elaboration d’un modèle de propagation

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1/ Modèle analytique

2/ Mesure directe de fonction de transfert :

bruit sur le miroir L des cavités Fabry-Perot

Correction envoyée sur

la séparatrice (Volts)

FT(actionneurs)

Volts mètres

Cavité Fabry-Perot résonante 30 aller-retours

Filtre

B5q

DAC

DAC

Signal de correction

(Volts)

Bobine

Bobine

i (Ampères)

Newton

Electronique des actionneurs

Pendule

Zoom sur les actionneurs

Etape finale : Confrontation du modèle à la sensibilité mesurée

Bruit de contrôle de la séparatrice :

Modèle analytique

Projection obtenue après mesure de la fonction de transfert

Données du 03 juin 2005

Comparaison du modèle analytique avec la fonction de transfert mesurée

Bon accord entre le modèle analytique et la mesure de fonction de transfert

validation du modèle de propagation

quelle contribution par rapport à la courbe de sensibilité ?

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Etape finale : Confrontation du modèle à la sensibilité mesurée

Bruit de contrôle de la séparatrice :

Modèle analytique

Projection obtenue après mesure de la fonction de transfert

Sensibilité obtenue le 03 juin 2005

Assez bon accord entre 20 et 50 Hz

Sensibilité limitée par un bruit introduit par la boucle de contrôle de la séparatrice

Région des résonances mécaniques du banc d’injection

Améliorations futures : optimisation du filtre de la boucle de contrôle

remplacement du banc d’injection (déplacement des résonances)

compenser ce bruit en introduisant une correction supplémentaire sur les miroirs des Fabry-Perot

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Autre exemple :

Le bruit des convertisseurs numériques analogiques (DAC) de la chaîne des actionneurs

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Mesure du bruit des DAC (Convertisseurs numériques-analogiques)

Bruit des DAC

Laser

• Modèle pour un DAC = bruit mesuré x TF_mécanique(iL)

• bruit total = somme quadratique (pour les 5 miroirs)

Mesure du bruit des DAC ( i)

DAC

DAC

Bobine

Bobine

i (Ampères)

Newton

Electronique des actionneurs

Pendule

L (mètres)

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Bruit des DAC : confrontation du modèle à la courbe de sensibilité

Pendant C4, le bruit des DAC limitait la sensibilité entre 80 et 300 Hz

amélioration de l’électronique des actionneurs bruit des DAC

d’autres améliorations prévues pour atteindre le design (suivront la progression de la courbe de sensibilité)

Sensibilité du run C4 (recombiné, 7 W)

Bruit des DAC (modèle C4)

Sensibilité du run C5 (recyclé, 0,7 W)

Bruit des DAC (modèle C5, extrait d’une mesure)

Design de VIRGO

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Bruit haute fréquence du run C5

Sensibilité du run C5

Bruit électronique

Bruit de photons

x 20

• bruit électronique (sans faisceau laser) au même niveau que bruit de photons

• Quand le faisceau laser atteint la photodiode : bruit du signal de frange noire : x 20

400 Hz - 10 kHz : bruit proportionnel à la quantité de signal arrivant sur la photodiode et sensible à la qualité de l’alignement (Alignement angulaire automatique non implémenté)

Perspectives d’amélioration

• Amélioration des performances des contrôles angulaires des miroirs (contrôles locaux et alignement automatique)

• Modification de l’électronique du signal de frange noire

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Récentes améliorations de la courbe de sensibilité

Sensibilité du run C5 (décembre 2004)

Sensibilité obtenue en Mai 2005

Réduction de la quantité de signal arrivant sur la photodiode

(contrôles angulaires)

Réduction du bruit de contrôle longitudinal de la séparatrice :

filtré à partir de 50 Hz (au lieu de 100 Hz)

Réduction du bruit des DAC de

la séparatrice

Améliorations des contrôles angulaires de la séparatrice

20

II - Seconde approche : Techniques d’analyse utilisant la simulation

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Objectifs de la simulation :

• Confirmer les résultats extraits des données du Commissioning

vérifier l’accord entre les modèles analytiques et la simulation

• Modèles difficiles à élaborer en raison des couplages entre les différents degrés de liberté et de l’effet des boucles de contrôle

simulation nécessaire pour comprendre les mécanismes de propagation des bruits

• Estimer des paramètres mal connus en comparant la simulation aux vraies données

Principes de la simulation

SIESTA : simulation dans le domaine temporel développée par la collaboration

- Caractéristiques des miroirs (courbure, pertes, réflectivité)

- Boucles de contrôle

- Actionneurs des miroirs et Super-Atténuateurs

- Electronique des photodiodes

- Effets dynamiques (temps de propagation de la lumière dans les Fabry-Perot)

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Laser0

+

-

Contrôle du Mode Différentiel

B5

Miroir de recyclage

Asservissement de la fréquence du

laser B5p

B5q

B1

B2

Impact du bruit électronique des photodiodes sur la sensibilité

Bruit électronique des photodiodes fournissant les signaux d’erreur des boucles de contrôle

réinjecté dans l’interféromètre

Séparatrice

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Sensibilité de C5 (Plaser = 0.7 W)

simulation : bruit électronique sur B1 (frange noire)

simulation : bruit électronique sur B1 + B5p (fréquence du laser)

simulation : bruit électronique sur B1 + B2 (miroir de recyclage)

simulation : bruit électronique sur B1 + B5q (séparatrice)

simulation : bruit électronique sur toutes les photodiodes

Design de VIRGO (Plaser = 10 W)

Entre 10 et 100 Hz : les résultats de la simulation sont tous en accord avec le modèle de propagation par la boucle de contrôle de la séparatrice

les bruits électroniques sont réinjectés par cette boucle

Solution : amélioration des contrôles (meilleur découplage des degrés de liberté, soustraction du bruit à l’aide des corrections envoyées aux miroirs des bouts de bras)

24Impact du bruit électronique des photodiodes sur la sensibilité

Conclusion

• Analyse à partir des données des runs de Commissioning (Recyclé C5) :

- Basse fréquence : bruit de contrôle des miroirs

- Haute fréquence : bruit “électronique” lié à la quantité de signal arrivant sur la photodiode et à la qualité de l’alignement

• Simulation :

- Compréhension des mécanismes de propagation de bruit

- Anticipation du bruit qui pourrait limiter la sensibilité dans un proche avenir

Préparation des solutions

• Perspectives :

- Amélioration des contrôles,

- Implémentation de l’alignement automatique,

- Augmentation de la puissance après changement du banc d’injection

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Sensibilité de VIRGO par rapport aux événements attendus

Evénements attendus :

• Coalescences (étoiles à neutrons, trous noirs)

Plusieurs/an dans 100 Mpc ?

• Supernovae

1/an dans 10 Mpc ?

• Pulsars

Plusieurs/an dans la Galaxie ?

26

VIRGO Novembre 2004 comparé à LIGO

LIGO (septembre 2002)

27

VIRGO (mai 2005)

LIGO (Avril 2003)

Sensibilité de LIGO

28

Laser0

+

-

Contrôle du Mode Différentiel

B5

Séparatrice

Asservissement de la fréquence du

laser B5p

B5q

B1

B2

Compensation du bruit introduit par le contrôle de la séparatrice à l’aide de la correction envoyée aux bouts de bras

29

+

-

Filtre

Technique du « alpha »

Technique du « alpha »Résultats de simulation

Sensibilité du run C5

Design VIRGO

Introduction du bruit électronique des photodiodes par les boucles contrôle stratégie « habituelle » ( = 0)

0 (valeur optimale)

0 (1 + 0,02)

0 (1 + 0,05)

0 (1 - 0,15)

0 (1 + 0,50)

nette réduction du bruit dès qu’on s’approche du 0 à 10% près

30

Bruit de contrôle angulaire des miroirs

Fonctions de cohérence entre le signal de frange noire et des

signaux de correction angulaire

31

Correction angulaire du miroir d’entrée du bras Ouest

Correction angulaire de la séparatrice

Laser

B1 Signal de frange noire

Séparatrice

Axe de rotation

Faisceau incident, décentré par rapport

à la séparatrice

Faisceau transmis vers le bras Nord

Bras Nord

Bras Ouest

Faisceau réfléchi vers le bras Ouest

Hypothèse pour le modèle analytique de propagation du bruit de contrôle angulaire de la séparatrice

Angle de vue

Sensibilité le 25 Mai 2005

Modèle du bruit angulaire de la séparatrice (25 Mai 2005)

Sensibilité après amélioration des contrôles angulaires de la séparatrice (01 Juin 2005)

Modèle du bruit angulaire de la séparatrice après amélioration (01 Juin 2005)

Modèle : correction angulaire x FT(actionneurs) x 1/32 x 2d (d: décentrage vertical de la séparatrice)

Modèle du bruit de contrôle angulaire de la séparatrice

Résultat obtenu pour d = 3 cm

Gain en sensibilité suite à l’amélioration du filtrage du signal de correction angulaire de la séparatrice

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Caractéristiques de l’interféromètre VIRGO

Laser3000 m

Cavité Fabry-Perot30

00 m

144

m

Mode Cleaner d’entrée

20 W = 1064 nm

Cellule de Pockels :

Modulation

Miroir de recyclage

Séparatrice

Mode Cleaner de sortie

Photodiodes du banc de détection,

électronique de démodulation (deux

voies : 0°, 90º)

Bras Ouest

Bras Nord

Modulation frontale (6,26 MHz)

Mode Cleaner : nettoyer le faisceau (profil de puissance gaussien)

Cavité Fabry-Perot : 30 aller-retours chem. Opt. 200 km

Cavité de Recyclage : puissance x 50 bruit de photons

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Carte de démodulation

Carte de démodulation

G

2

RF BF

LO 0°

G

2 Filtres Compression

& AARF BF

LO 90°

Déphaseur

0/90°

BF 0°

BF 90°

G

DC

LO

Préampli.

RF Filtres Compression

& AA

G

1

G

1

ADC

16bits20kHz

CIV

Filtre AA

PhotodiodeACp

ACq

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Run C5 : bruit de phase ? investigations

bruit de B1 phase vs niveau du signal sur B1 quad

Relation linéaire entre bruit haute fréquence de la voie en PHASE et niveau du signal sur la voie en QUADRATURE

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Première étape : Rechercher des signaux de contrôle cohérents avec le signal de frange noire

Contributions individuelles après soustraction des inter-cohérences

contrôle longitudinal de la séparatrice

contrôle angulaire de la séparatrice

contrôle longitudinal du miroir de recyclage

Région dominée par du bruit introduit par le contrôle longitudinal de la séparatrice ?

à confirmer par l’élaboration d’un modèle

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