Кратко — какие шумы/систематики ограничивают чувствительность и как их минимизировать.
Основные шумы и систематические погрешности
1) Квантовые / фотонные
- Shot‑noise (фотонный шум) — предел при малой мощности: $\delta x_{\mathrm{shot}}\sim \frac{\lambda }{4\pi \sqrt{N}}$, можно записать через мощность: $\delta x_{\mathrm{shot}}\approx \frac{\lambda }{4\pi \sqrt{P/(h\nu )}}$.
Митигирование: увеличение оптической мощности (с учётом радиационного давления), балансная детекция, использование когерентно‑усиленных источников (squeezing).
- Интенсивностный шум (RIN) — флуктуации мощности, которые нелинейно преобразуются в фазу на детекторе.
Митигирование: активная стабилизация мощности (AOM), балансная фотометрия, мод‑клинер.
2) Лазерные систематические шумы (оптические)
- Частотный шум лазера: флуктуации $\delta \nu$ дают фазовую ошибку $\delta \varphi \approx 2\pi \frac{2L}{c}\delta \nu$ и эквивалентную длину $\delta L\approx \frac{\lambda L}{c}\delta \nu$. Особенно критично при несимметричных/длинных плечах.
Митигирование: стабилизация частоты на эталонный резонатор/атом, уменьшение разницы длин плеч, heterodyne‑/PDH‑подвязка.
- Указания по оптике: рассеянный свет, паразитные отражения, поляризационные дрейфы — дают сдвиг ОС/основного сигнала.
Митигирование: бaffles/beam‑dumps, Faraday‑изоляторы, хорошие антиотражающие покрытия, поляризационная стабилизация, одномодовые/режимные очистители.
3) Тепловые (термические)
- Тепловое расширение: $\Delta L=\alpha L\Delta T$ — медленные/пространственные градиенты температур приводят к фоновым смещениям.
Митигирование: температурная стабилизация (контроль до мК при необходимости), тепловая изоляция, материалы с низким коэффициентом расширения (Zerodur, Invar, титаново‑композитные опоры).
- Изменение показателя преломления воздуха/ввода: $\Delta \varphi =\frac{2\pi }{\lambda }\Delta nL$.
Митигирование: работа в вакууме/инертном газе, контроль влажности/давления, короткие оптические пути в воздухе.
- Термобрауновский/термоэластический шум зеркал и опор (thermal noise, Brownian) — фундаментальное ограничение на малых частотах.
Митигирование: выбор высококачественных покрытий, большие зеркала/подвесы, работа при контролируемых температурах, снижение механической потери (high Q материалы).
4) Механические/сейсмические
- Сейсмика, вибрации пола, акустика — прямое смещение оптических компонентов и угловые ошибки.
Митигирование: многоступенчатая сейсмозащита (пассивные подвесы, опоры, активная компенсация с акселерометрами/гироскопами), акустическая защита, размещение на изолированном оптическом столе.
- Крутильные/угловые дрейфы (pointing jitter) — преобразование в длину из‑за углов: управление и компенсация (квадрантные детекторы + активная стабилизация луча).
5) Электронные и детекторные
- Темновой шум детектора, шума усилителя, нелинейность АЦП.
Митигирование: низкошумящие ТИА, фильтрация, коррекция нелинейности, калибровка.
6) Систематические смещения (дрейф)
- Калибровка (PZT/актуаторы), нелинейность преобразования фаза→длина, температурные градиенты, длительная ползучесть опор.
Митигирование: регулярная калибровка эталоном, использование разомкнутой/замкнутой схемы с опорным каналом, компенсирующие алгоритмы, стабильные механические опоры и материалы.
Практические рекомендации (приоритетные шаги)
- Снизьте воздушные эффекты: поместите интерферометр в вакуум или герметичную камеру; контролируйте давление, температуру и влажность.
- Стабилизируйте лазер: частота (резонатор/PDH) и мощность (AOM, feedback). Используйте мод‑клинер/одномодовый путь.
- Минимизируйте разницу длин плеч и используйте дифференциальную схему для подавления общего шума.
- Сейсмозащита: подвесы, пассивные демпферы, активная компенсация и сенсоры для feed‑forward удаления вибраций.
- Контроль направления и углов: квадрантные фотодетекторы + активные контроллеры (beam steering).
- Бороться с рассеянием/паразитами: бaffles, Faraday isolator, хорошие AR‑покрытия и тщательная оптическая разводка.
- Калибровка и мониторинг: эталонные актюаторы (PZT), логирование температуры/акселерации/давления, регулярные тесты чувствительности.
- Если нужно достичь экстремальной чувствительности — применяйте squeezed light, cryogenic опоры/зеркала и материалы с минимальным термическим шумом.
Коротко: основные ограничения — фотонный шум, термические флуктуации (expansion и n(T)), лазерные частотно‑интенсивностные ошибки, сейсмика и рассеяние; минимизация достигается комбинацией термо/вакуумной изоляции, лазерной стабилизации, механической сейсмозащиты, оптических мер по снижению паразитных отражений и строгой калибровки.