A compact low-frequency optomechanical triaxial inertial sensor

In de stille brom van een laboratorium proberen wetenschappers vaak de zwakste fluisteringen van het universum te horen. Om dit te doen, bouwen ze instrumenten die de kleinste bewegingen kunnen detecteren, van de langzame verschuiving van tektonische platen tot de subtiele ruk van een passerende zwaartekrachtgolf. Deze apparaten, bekend als versnellingsmeters, meten hoe snel een object van snelheid of richting verandert. Decennialang waren de meest gevoelige versies van deze instrumenten lomp, duur en kwetsbaar, en vereisten ze vaak complexe elektrische systemen die gemakkelijk verstoord kunnen worden door magnetische velden. Dit heeft ze moeilijk inzetbaar gemaakt buiten gespecialiseerde laboratoria of op satellieten waar gewicht en vermogen schaars zijn. Het doel voor onderzoekers is al lang om een sensor te creëren die klein genoeg is om in een rugzak te passen, licht genoeg om de ruimte in te lanceren en gevoelig genoeg om de aarde te laten ademen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Arizona heeft een belangrijke stap gezet richting dit doel door een compacte, driedimensionale sensor te bouwen die licht gebruikt om beweging te meten. In plaats van te vertrouwen op elektriciteit om beweging te detecteren, bouwden ze een apparaat waarbij een klein blok glas, opgehangen aan delicate glazen veren, beweegt wanneer het wordt geschud. Vervolgens gebruikten ze een laser om deze beweging met extreme precisie te observeren. Het resultaat is een sensor die trillingen kan detecteren die zo klein zijn als de natuurlijke achtergrondruis van de aarde, ook wel seismische ruis genoemd, over drie verschillende richtingen tegelijk. Deze prestatie suggereert dat toekomstige satellieten deze kleine, robuuste apparaten kunnen meevoeren om de planeet in kaart te brengen qua zwaartekracht of om door de ruimte te navigeren zonder de noodzaak van zware, energieverslindende elektronica.

De kern van deze nieuwe sensor is een slim ontwerp dat volledig is gemaakt van één stuk gefuseerd kwartsglas, een type glas dat bekend staat om zijn zuiverheid en stabiliteit. Stel je een platte plaat van dit glas voor, ongeveer zo groot als een grote onderzetter, waaruit de onderzoekers een minuscuul, zwevend testgewicht hebben uitgehouwen. Deze massa wordt op zijn plaats gehouden door zeer dunne, flexibele armen die fungeren als veren. Wanneer de sensor beweegt, blijft de testmassa door traagheid iets achter, waardoor deze de glazen veren uitrekt. Om deze minuscule rek te meten, schijnen de onderzoekers een laserstraal op de massa. Door de laser te splitsen en het licht dat van de bewegende massa weerkaatst te vergelijken met het licht dat van een stationaire spiegel weerkaatst, kunnen ze veranderingen in positie detecteren die kleiner zijn dan de breedte van een atoom. Deze methode, genaamd interferometrie, stelt hen in staat om de fysieke beweging van de glazen massa om te zetten in een duidelijk signaal van versnelling.

Het team bouwde een systeem met drie van deze sensoren die gerangschikt zijn om beweging in de X-, Y- en Z-richting te meten, wat effectief een volledig driedimensionaal beeld van beweging geeft. Ze plaatsten de gehele assemblage in een vacuümkamer om de interferentie van luchtmoleculen te verwijderen, die de delicate trillingen die ze proberen te meten, kunnen dempen. Om te testen hoe goed het werkte, plaatsten ze het apparaat naast een standaard, hoogwaardige commerciële seismometer, een instrument dat geologen gebruiken om aardbevingen te bestuderen. Vervolgens namen ze de grondbeweging op in Tucson, Arizona, een regio met typische achtergrondtrillingen. De onderzoekers ontdekten dat hun nieuwe glazen sensor dezelfde grondbewegingen kon volgen als het grote commerciële instrument, waarbij het de metingen ervan mat van zeer lage frequenties tot acht cycli per seconde. Deze overeenkomst bewees dat hun kleine, op glas gebaseerde apparaat gevoelig genoeg was om de natuurlijke trillingen van de aarde te horen.

Echter, de prestaties van de sensor waren niet identiek in alle drie de richtingen. De sensoren die zijwaartse beweging meten, de X- en Y-assen, presteerden uitzonderlijk goed en bereikten een ruisniveau van 60 pico-g per wortel van een hertz bij één hertz. Dit betekent dat ze ongelooflijk zwakke versnellingen kunnen detecteren. De derde sensor, die de op-en-neergaande beweging langs de Z-as meet, gedroeg zich anders terwijl deze op de grond stond. Vanwege de zwaartekracht van de aarde die naar beneden trekt aan de glazen veren, werd de Z-as sensor stijver, waardoor hij minder gevoelig werd voor verticale bewegingen. De resonantiefrequentie verschoof van ongeveer 11 hertz naar 44 hertz onder het gewicht van de zwaartekracht, wat zijn vermogen om langzame, zachte bewegingen te detecteren verminderde in vergelijking met de zijwaartse sensoren.

De onderzoekers begrepen dat deze stijfheid een tijdelijk probleem was veroorzaakt door de zwaartekracht van de aarde. Ze redeneerden dat als de sensor de ruimte in zou gaan, waar zwaartekracht effectief afwezig is, de veren zouden ontspannen en de Z-as sensor net zo goed zou presteren als de anderen. Om dit te verifiëren, testten ze de Z-as sensor in een configuratie die een gewichtloze omgeving simuleerde door de sensor te draaien zodat de zwaartekracht zijwaarts in plaats van omlaag trok. In deze opstelling daalde de frequentie terug naar 11 hertz en verbeterde de gevoeligheid drastisch, waardoor deze overeenkwam met de prestaties van de zijwaartse sensoren. Dit bevestigde dat het apparaat volledig in staat is om driedimensionale beweging met gelijke precisie te meten zodra het in een baan om de aarde is.

Het team identificeerde ook een specifiek gebrek in de manier waarop het licht naar de op-en-neergaande sensor werd gericht in de uiteindelijke geassembleerde eenheid. Vanwege de krappe ruimte binnen het apparaat moest de laserstraal een langere afstand afleggen om de referentiemirror te bereiken, wat een kleine hoeveelheid extra ruis introduceerde. Door een op zichzelf staande versie van de Z-as sensor met een opener optische lay-out te testen, toonden ze aan dat deze ruis met een factor tien kon worden verminderd. Dit inzicht biedt een duidelijke weg voor het verbeteren van het definitieve ontwerp, om ervoor te zorgen dat de op-en-neergaande sensor net zo stil zal zijn als de andere.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om een volledige, driedimensionale traagheidsensor te bouwen die klein, licht en krachtig genoeg is voor ruimtemissies. Het hele apparaat past in een doos van slechts 156 bij 156 bij 65 millimeter, een omvang die opmerkelijk compact is voor het niveau van gevoeligheid dat het bereikt. Door te bewijzen dat deze sensoren dezelfde grondbeweging kunnen detecteren als grote, gevestigde instrumenten, hebben de onderzoekers een nieuwe benadering voor het meten van versnelling gevalideerd. Deze technologie zou satellieten binnenkort nauwkeuriger kunnen laten navigeren, het zwaartekrachtsveld van de aarde met meer detail in kaart kunnen brengen, of zelfs helpen bij het detecteren van de subtiele rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door verre kosmische gebeurtenissen, en dat allemaal met een lading die veel kleiner en efficiënter is dan wat momenteel mogelijk is.