重力波検出器LCGT のための低損失ミラー開発

重力波検出器LCGT のための
低損失ミラー開発
辰巳大輔(国立天文台),
上田暁俊(国立天文台)
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
KAGRA とは？
次世代重力波検出器で
中性子連星合体に対して
１年に１イベント以上の検出
が期待される。
特徴：
基線長 3 km
地下（低地面振動環境）
低温ミラー
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
KAGRA に必要な
３種類のミラー
KAGRA に必要な３種類のミラー
Category 3
低温、真空中
直径10cm以上
Category 1
室温、大気中
直径10cm以下
Category 2
室温、真空中
レーザー光源
>180W
2012/3/22
直径10cm以上
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
各ミラーでのパワー
Optical
Power
180W Laser
(kW)
Pre-MC
MC
in/out
MC
end
10
= 200W x50
24
= 150W x158
24
= 150W x158
PRM,
PR2
0.8
PR3
0.8
ITM
400
ETM
400
2012/3/22
3km の共振器に
400kW の光が蓄積され
重力波（時空歪み）を
検知する。
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
各ミラーでのパワー密度
Intra-Cavity
Power
Beam
Radius
(kW)
(cm)
Power
Density
(kW/cm2)
10
0.046
1500
24
0.25
118
24
0.44
39
PRM,
PR2
0.8
0.40
1.6
PR3
0.8
3.65
0.02
ITM
400
3.51
10
ETM
400
4.00
8
Pre-MC
MC
in/out
MC
end
2012/3/22
= 200W x50
= 150W x158
= 150W x158
日本天文学会 2012年春季
パワー密度
の点では
「カテゴリー１」
が一番シビア。
＠龍谷大学、京都
高パワー密度での問題点
1500 kW/cm2
一般的な
ダメージ閾値
1000 kW/cm2
高いダメージ閾値のミラーが必須！
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
高パワー密度での問題点
1500 kW/cm2
「熱吸収 10 ppm の場合」
 熱変形
曲率半径 R = 33 m
 熱レンズ効果
曲率半径 R = 1.3 m
設計ミラー曲率半径
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
0.3 m
＠龍谷大学、京都
熱変形・熱レンズ
熱吸収 0.2ppm
Power
Density
Thermal
Distortion
(kW/cm2)
Pre-MC
MC in/out
MC
end
PRM, PR2
PR3
2012/3/22
Thermal
Lens
Designed
RoC
(meter)
1500
1667
67
0.3
118
21200
847
flat
39
64100
2560
40
1.6
1562500
62500
304
-2.76
0.02
125000000
5000000
24.574
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
低損失ミラーの必要性（２）
Cavity 内パワー 10 kW
「散乱量 100 ppm の場合」
ミラー表面での散乱
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
1 Watt
＠龍谷大学、京都
カテゴリー１の
ミラーへの要求値
高ダメージ閾値
>10 MW/cm2
熱吸収
<0.2ppm
散乱
<10ppm
世の中にない
超低損失、ハイパワー耐性
をもつミラーの開発
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
低損失ミラー開発戦略
1. 散乱
<10ppm
2. 熱吸収
<0.2ppm
2
3.
高ダメージ閾値
>10
MW/cm
低散乱量をきちんと測定することが重要！
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
散乱測定実験
Total Integrating Scattering
Measurement Setup
Laser
QWP
PBS
lens(1)
P-pol.
20mW
500mW
HWP
lens(3)
Faraday
Isolator
lens(2)
工夫２
f=150mm
光学スイッチャー
AcoustoOptic
Modulator
f=???mm
Pinhole
spacial filter
f=400mm
工夫３
ビーム
ダンパー
y-z
stage
Photo
Diode
lens(4)
工夫１
ピンホール
フィルタ
f=500mm
Integrating Mirror
Sphere
Mount
A sample mirror is here.
散乱測定実験
＠国立天文台
三鷹キャンパス
散乱測定実験
低散乱ミラーへの道
1. 滑らかに研磨された基板
2. 誘電体多層膜をコート
3. 洗浄・汚染防止
滑らかに研磨された基板
どれくらい滑らか？
Relationship between
Total Integrating Scatter (TIS)
and micro-roughness (d)
 4 
総散乱量
TIS 

  
2
 = 1064 nm
  

相関距離
総散乱量 = 1ppm
  = 0.85 Angstrom
Non-coating
Super-polished
substrate
Micro-roughness
<0.75 Angstrom RMS
25 mm
25 mm
ミラー中心の 10mm 角
平均値 1.5ppm
市販ミラーの散乱量
Maker
Product#
Refrectivity
Angle
Scattering (ppm)
RoC
0
flat
27
2012/2/9
99.998%
0
flat
27
2012/2/13
???
99.999%
0
1m, concave
26
2012/2/12
FS
52%
45
flat
44
2012/2/15
FS
>99.99%
0
flat
BK7
99%
0
flat w/ wedge
126
2012/2/10
EB
BK7
>99.5%
45
flat
146
2012/2/18
???
BK7
45
flat
133
2012/2/14
???
Pyrex
0-45
flat
279
2012/2/10
1
Newport
10CM00SR.50T
IBS
FS
2
Showa Optronics Co. LTD
2010 年購入
IBS
???
3
Advanced Thin Films
CRD1064-1025-100
IBS
4
Lattice Electro Optics
BS-1064-Rs50-45-UF-2038
???
4
CVI Melles Griot
Y1S-1025-0
10
CVI Melles Griot
PR1-1064-99-IF-2037-C
EB
11
CVI Melles Griot
Y1-2037-45S
>99.97%
5
6
7
8
9
13
14
15
ALTECHNA
99.80%
16
17
18
19
20
NEW FOCUS
5104
>99%
まとめ
次世代重力波検出器 KAGRA
のために
超低損失、ハイパワー耐性を持つ
ミラーが必要。
1ppm レベルの低散乱量測定装置
の立ち上げに成功！
 国内数社のコーティングメーカーと
共同開発中
End
Fundamentals
Thermal lens which has a curvature radius of R is expected by
the following equations.

1 2  s 
 2 
R 


 P
2 2
 P
2 2
Heating laser power density
for thermal deformation
for thermal lensing
P/2
Deformation and lensing coefficient
The effect of thermal lensing is larger than that of
thermal distortion.
Fused Silica
Sapphire
2012/3/22

 2.0 107
2

 5.0 106
2
distortion
lensing

 1.0 1011
2

 7.0 1013
2
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
Pre Mode Cleaner
Pre Mode Cleaner
Shape
Bow tie
Beam Pass
Air (in air tight case)
Round trip length
1.95 m
Reflectivity of in/out coupler
98%
Radius of Curvature of in/out
0.3 m
Free Spectrum Range
154 MHz
Finesse (intra power gain)
155 (50)
Cutoff frequency of the cavity
25 kHz
Beam radius at the waist
0.199 mm
Beam radius on the mirrors
0.460 mm
Material of spacer
Supper invar or aluminum
Actuator
PZT stage (DC-0.1 Hz) or Heater
Modulation frequency
To be decided
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
Mode Cleaner
Mode Cleaner
Shape
Narrow triangle
Beam Pass
in vacuum
Distance between in/out mirrors
0.5 m
Round trip length
53.296 m
Reflectivity of in/out mirror
99.37 %
Reflectivity of end mirror
99.99 %
Radius of Curvature of in/out
flat
Radius of Curvature of end mirror
40 m
Mirror dimension
Diameter 100 mm, thickness 30 mm
Wedge angle of AR side
2.5 degree
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
Mode Cleaner
Mode Cleaner
Free Spectrum Range
5.625 MHz
Finesse (intra power gain)
500 (158)
Cutoff frequency of the cavity
5.625 kHz
Beam radius at the waist / in / out
2.53 mm
Beam radius on end mirrors
4.38 mm
Vibration isolator
Type C
Actuator
Coil magnet
Modulateion frequency
To be decided
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
Arm Cavity
Pre Mode Cleaner
Shape
Linear
Beam Pass
in vacuum
Round trip length
6000 m
Reflectivity of input mirror
99.6%
Radius of Curvature of input
1.68 km (0.008)
Reflectivity of end mirror
99.995 %
Radius of Curvature of end
1.87 km (0.009)
Free Spectrum Range
1.55 kHz
Finesse (intra power gain)
1550 (1000)
Beam radius on input mirror
35.064 mm
Beam radius on end mirror
39.983 mm
Vibration isolator
Type A
Actuator
Coil magnet or Electrostatic
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
産総研：計量標準総合センター
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
タイトル
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都
<2 Angstrom
高パワー密度での問題点
 ダメージ閾値を超えると
破壊される。
 熱変形
 熱レンズ効果
2012/3/22
日本天文学会 2012年春季
＠龍谷大学、京都

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