変位雑音フリー重力波検出器の開発 苔山 圭以子 お茶の水女子大学大学院 2007年11月17日, 高エネルギー天体現象と重力波研究会 概要 DFI (Displacement- and frequency-noise free interferometer) は、複数の干渉計を組み合わせることによって、光学要素の変位 による雑音にまったく感度がない新しい光学設計の重力波検出器 である。本講演では、国立天文台で行われているDFIテーブルトッ プ実験について解説する。 もくじ イントロダクション DFIの原理 DFIの光学設計 3つの原理検証実験 まとめと今後の計画 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 イントロダクション S.Kawamura & Y.Chen, 2004 Phys. Rev. Lett. 93, 211103 Y.Chen & S.Kawamura, 2006 Phys. Rev. Lett. 96, 231102 の論文によって提案された、新しいタイプのレーザー干渉計型重力波 検出器 光学要素の変位をまったく感じない重力波検出器 地面振動・熱雑音・輻射圧雑音を感じないために 原理的にはショットノイズだけで感度をリミットされる 地上、宇宙重力波検出器どちらにも適用できる Y. Chen, et al., 2006 Phys. Rev. Lett. 97 151103で 提案された、４台のマッハツェンダー干渉計を組み合わせた光学設計 DFIの一部をとりだし、原理検証実験を行った 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 変位雑音と重力波の違い レーザー干渉計は、ミラーの変位 と重力波に対して違う応答をする DFIの原理 複数の干渉計の出力を、光学要素 の変位成分がキャンセルするように信 号を引き算する ditectors DFI信号 例 Magnitude マイケルソン干渉計の マイケルソン干渉計の ミラー変位への応答 重力波への応答 lasers 重力波信号は残したまま、 変位雑音だけをキャンセルできる f f 重力波は積分効果として レーザーに位相変化を与えるので、 重力波の波長とレーザー光路が 同等な長さのとき、位相変化が キャンセルされる 2007/11/17 低周波では変位雑音による位相変化と 重力波による影響が区別できないため、 重力波信号もキャンセルされてしまう。 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 本実験におけるDFIの光学設計 DFIは、 4つのマッハツェンダー干渉計(MZI) からなる 正八面体 A MZI3 MZI1 C1 D2 z Bidirectional MZI C2 y x D1 MZI4 MZI2 4つの信号を、 変位雑音がキャンセルするように 演算する 2007/11/17 B Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 本実験におけるDFIの光学設計 Bidirectional MZI : ミラー変位がキャンセルされる光学設計 レーザー ミラー フォトディテクター (PD) ビームスプリッター (BS) ミラー変位があるとき MZI1=δL MZI2=δL MZI1-MZI2=0 MZI1とMZI2は たがいに90度回転し ているので、引き算後 も重力波は消えない ビームスプリッターの 変位は消えないので、 もう一組Bidirectional MZIを組み合わせる →３D光学設計 Y. Chen, et al., 2006 Phys. Rev. Lett. 97 151103 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 原理検証実験 1. Bidirectional MZIの実験 光学要素変位は、 EOMでシミュレート ミラー変位信号のキャンセルを確認した 重力波シミュレート信号が残ることを確認した 2. BSを共有した２台のMZIの実験 BS変位信号のキャンセルを確認した 重力波シミュレート信号はなし 3. 実際にBSを振って変位を与える実験 BS変位信号のキャンセルを確認した 重力波シミュレート信号はなし D1 C2 B 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 C1 D2 1. Bidirectional MZI実験 現実 実験 重力波 光路の 中点 ミラー変位 EOM1 EOM2 引き算信号 引き算信号 引き算信号では、 ミラー変位信号キャンセル 重力波信号が生き残っている 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 1.実験セットアップ dump RF PD +Out1 中点 HWP PBS EOM1 EOM2 3.6m FI mid fringe コントロール MZI2 -Out DC PD 3.6m PZT FI 引き算器 HWP PBS RF PD - Out2 引き算信号 MZI1 dump 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 1. 実験結果 ミラー変位信号キャンセル Out2 Magnitude EOM1 Out1 EOM1からOut1への伝達関数 EOM1からOut2への伝達関数 EOM1から引き算信号への伝達関数 Phase 引き算信号 最大で約40dBの キャンセルが達成された S. Sato, et al, 2007 Phys. Rev. Lett. 98 141101 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 1. 実験結果 重力波信号 Out2 Magnitude EOM2 Out1 EOM2からOut1への伝達関数 EOM2からOut2への伝達関数 EOM2から引き算信号への伝達関数 Phase 引き算信号 引き算後も重力波信号が 残ることが確認された S. Sato, et al, 2007 Phys. Rev. Lett. 98 141101 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 2. BS変位キャンセル実験 2台のMZIにおいて、BSの変位キャンセルを確認する実験 現実 実験 MZI2 MZI1 control DC PD out1 C1 D2 EOM MZI2 Laser D1 C2 MZI1 ~ DC PD B 2007/11/17 control Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 out2 2. BS変位キャンセル実験 結果 Magnitude 最大50dBのキャンセル が達成された Phase EOMからOut1への伝達関数 EOMからOut2への伝達関数 EOMから引き算信号への伝達関数 EOMから引き算信号への伝達関数 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 3. BS変位キャンセル実験 Magnitude 実際にPZTでBSを動かし、 その信号がキャンセルされることを確かめた BSからOut1 BSからOut2 BSから引き算 PZT Out1 Phase control Out2 ± BSからOut1 BSからOut2 BSから引き算 アクチュエート信号 Frequency [Hz] 引き算信号 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会 まとめ DFIのための原理検証実験を行った Bidirectional MZIで、ミラー変位キャンセル MZI2台で、BS変位キャンセル(EOM) MZI２台で、BS変位キャンセル(アクチュエーター) 今後の計画 ４台のMZIを組み合わせた３D光学設計のDFIをつくる DFI信号ではミラー、BS変位のキャンセルし、 重力波信号がいきのこっていることを確かめる ミラー、BS変位はEOMで再現 重力波信号も複数のEOMを組み合わせ再現 2007/11/17 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
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