講演番号：11aSN-11 干渉計型重力波検出器 KAGRA のための 補助ロックシステム設計 国立天文台 辰巳大輔 国立天文台, CaltechA, 東大理B, 産総研C, 東大天文D, 東大宇宙線研E, 東大工F, 電通大G, 東工大理工H, 通総研I 辰巳大輔, 新井宏二A, 麻生洋一B, 寺田聡一C, 我妻一博, 阿久津智忠, 安東正樹, 和泉究D, 内山隆E, 大前宣昭F, 阪田紫帆里G, 柴田和憲B, 宗宮健太郎H, 陳タンD, 長野重夫I, 西田恵里奈E, 三尾典克F, 道村唯太B, 宮川治E, 三代木伸二E, 武者満G, 山元一広E, 山本博章A, KAGRA collaboration 2012 年 9 月 11 日 2012年秋季物理学会 @京都産業大学 KAGRA干渉計の概要 KAGRA 干渉計 3km 共振器 主干渉計だけで11枚のミラーで構成される 複雑な干渉計 3km 共振器 レーザー光源 ロックとは？ KAGRA 干渉計の重力波検出感度を最大にするためには、 主干渉計を構成する “ミラー間の距離” をレーザー光が 共振を維持するように制御する必要がある。 （もちろんミラーになんらの外乱が及ばなければ ...） ここでは、制御システムによってミラー間の距離を ある条件を満たす制御点に引き込むこと を “干渉計のロック” と呼ぶ。 ロックシステムにおける “キーポイント” １．KAGRA 干渉計は 複雑。 ２．重力波観測の稼働率を上げるには、 複雑な干渉計を、順序良く 確実に 制御点に引き込みたい。 通常ロックでの問題点 一番難しいのは 3km 共振器のロック !!! 重力波への感度を高めるために、 3km 共振器内でレーザー光が何度も往復するように フィネス 1500 と高く設計されている。 共振器線幅が 0.33 nm と非常に狭い。 共振器長を上記の線幅より十分に小さく抑え込まないと ロックしたとは言えない。 例えば、マイケルソン干渉計なら λ/4 = 250 nm より小さく 抑え込めていればロックしたと言える。 共振器線幅の広さが、ロックの難易度を左右する。 PR2 / SR2 >0.5 As large as possible PR3 / SR3 <0.1 As small as possible BS >0.9 As large as possible 0.2 0.1 0.2 0.1 補助ロックシステム概要 ITM ETM (*) 532 nm 波長に対して、共振器線幅が 27 nm * Transmission of ETM must be smaller than ITM なので、ロックが容易となる。 PR3 BS ３km 共振器 ITM ETM Finesse = 10 PRM PR2 Mirror Spec. for 532 nm laser Green Laser wavelength : 532 nm Mirror Trans Torelance PR2 / SR2 >0.5 As large as possible PR3 / SR3 <0.1 As small as possible BS >0.9 As large as possible ITM 0.2 0.1 ETM (*) 0.2 0.1 * Transmission of ETM must be smaller than ITM 補助ロックシステム概要 PR3 BS Main Laser ITM Finesse = 1500 ETM Finesse = 10 wavelength : 1064 nm PRM PR2 Green Laser wavelength : 532 nm 532 nm 波長を使って 3km 共振器をロック した後、最終的には 1064 nm 波長に対して ロックできなければ、 重力波感度を最大化できない。 補助ロックシステム “設計の成功条件“ 共振器制御を 1064 nm 制御系へ引き渡すためには 1064 nm 波長 に対する power-recycled arm cavity の 共振器線幅 33 pm 以下に共振器長揺らぎを抑え込む必要がある。 これが満たされるように、補助ロックシステムは 十分な大きさの制御ゲイン 十分小さなシステム雑音 を有さなければならない。 制御系の詳細設計が必要 !!! Aso configuration for LCGT locking 補助ロックシステム： 概 念green 設計 PR3 or SR3 End Test Mass Input Test Mass 周波数安定化された メインレーザー Arm Cavity L=3000m PR or SR PreStabilized Laser IR=1064nm Resonant EOM 光ファイバー伝送 Innolight PROMETHEUS PR2 or SR2 IR=1064nm Before switchig Green PDH locking to IR PDH locking, the offset frequency is swept to find resonant point of the arm cavity for IR beam. Thermal PZT Servo Filter for PLL Ctrl offset freq. PD for PLL Beam Splitter offset freq. phase comparator 2012-06-01 from PSL Dump Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA Aso configuration for LCGT locking 補助ロックシステム： 概 念green 設計 PR3 or SR3 End Test Mass Input Test Mass Arm Cavity L=3000m PR or SR PreStabilized Laser IR=1064nm Resonant EOM 2012-06-01 PR2 or SR2 Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA Aso configuration for LCGT locking 補助ロックシステム： 概 念green 設計 2012-06-01 End Test Mass Arm Cavity L=3000m PreStabilized Laser IR=1064nm Resonant EOM PR2 or SR2 Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA 補助ロックシステム：詳 細設計 A_VCO (V->Hz) -K- 5 A_AOM 9 fCAV FR = Seis 7 fIR SHG induced noise 1 fIR pendulum F_GR1 F_GR zeros(s) poles(s) A_MASS F_MASS 2 noise injection point1 -K- (s+wCav) PDH_GR noise injection point2 Cavity Pole 8 3 2 各種雑音 s2 Shot PLL add 1 F_PZT 5 Shot PLL 2*pi s Shot 10 IR PDH 4 9 f->phi 3 2*pi s 2 feedback point of PLL f->phi 2 2*pi s f->phi 1 trans. 11 noise noise sum -K- -KBeam combiber phase comparator 7 制御フィルタ Elec. PLL zeros(s) foffset Demod_GR 11 3 SW_THR F_THR Shot GrPDH wCav IR->GR feedback point of GR -K- s2 fIR FR 8 4 A_PZT 1 inverted_pend 6 zeros(s) poles(s) num(s) den(s) 2 -K- fPSL num(s) den(s) 6 zeros(s) A_THR den(s) feedback point of f_cav SHG -K- w_IP*w_IP VCO freq. noise zeros(s) poles(s) noise injection point phase comparator gain PDH_IR noise injection point3 Hz->m 10 IR Error 補助ロックシステム制御後の 共振器長揺らぎ Displacement noises at IR Error 10 m /sqrt(Hz) 10 -8 周波数安定化 メインレーザーの trans. noise is assumed to be 1 Hz/sqrt(Hz) 周波数揺らぎ -10 10 -12 10 -14 10 -16 10 -18 10 -20 ＋ Shot PLL 光ファイバー伝送 Elec. PLL により生じるf f 周波数揺らぎSHG IR FR offset Seis Shot Gr VCO Shot IR trans. noise -3 10 10 -2 10 -1 0 10 10 1 Frequency (Hz) Frequency (Hz) 2 10 10 3 10 4 Aso configuration for LCGT locking 補助ロックシステム： 概 念green 設計 PR3 or SR3 End Test Mass Input Test Mass 周波数安定化された メインレーザー Arm Cavity L=3000m PR or SR PreStabilized Laser IR=1064nm Resonant EOM 光ファイバー伝送 Innolight PROMETHEUS PR2 or SR2 IR=1064nm Before switchig Green PDH locking to IR PDH locking, the offset frequency is swept to find resonant point of the arm cavity for IR beam. Thermal PZT Servo Filter for PLL Ctrl offset freq. PD for PLL Beam Splitter offset freq. phase comparator 2012-06-01 from PSL Dump Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA 補助ロックシステム制御後の 共振器長揺らぎ Displacement noises at IR Error 10 -8 Shot PLL Elec. PLL fIR FR 累積積分揺らぎ RMS10 32 pm trans. noise is assumed 共振器揺らぎスペクトラム（総和） to be 1 Hz/sqrt(Hz) -10 f m /sqrt(Hz) 32 pm RMS 10 -12 10 -14 10 -16 10 -18 10 -20 offset SHG Seis Shot Gr VCO Shot IR trans. noise -3 10 10 -2 10 -1 0 10 10 1 Frequency (Hz) Frequency (Hz) 2 10 10 3 10 4 まとめ • 補助ロックシステムによる制御後、 3km 共振器の共振器長揺らぎは RMS で 32 pm。 最低限の目標であった 33 pm 以下は満たしている。 が、本当に確実性を上げるにはあと数倍、できれば１桁低減したい。 • 現状、揺らぎの大きさを決めているのは共振器長測定の基準とした 安定化メインレーザーの周波数揺らぎ + 光ファイバー伝送で生じる周波数揺らぎ。 • これらは、今回詳細設計を行った補助ロックシステムの制御系設計 では改善できない。 • メインレーザーの周波数安定化および、 光ファイバー伝送起因の周波数雑音 についての詳細設計ならびに実験的検証が必要。 周波数安定化 Reference Cavity への要求値 Requirement for Reference Cavity 10 1 Hz/sqrt(Hz) 1 0.1 2e-2 0.01 1e-3 0.1 1 10 100 f (Hz) 1k 10k 光ファイバー伝送で生じる 周波数揺らぎ w/o phase correction w/ phase correction Reference: LIGO-T0900376 measured system noise 1 Hz/sqrt(Hz) 1 10 100 Frequency [Hz]
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