分子の吸収線 - TAMA300 interferometer

�DECIGO用光源と周波数安定化 �
・光源
・周波数安定化
・宇宙空間でのレーザー
・まとめ
電気通信大学レーザー研武者満
4thDECIGO-WG 06/05/11@国立天文台
〜DECIGO用光源開発〜
〜
● 研究項目
短波長ハイパワー高安定光源の開発
要求値
○波長 532nm、単一縦横、直線偏光
△出力 10W
▲周波数安定度 1Hz/√Hz@1Hz
○強度雑音 10-8 /√Hz@1Hz
？宇宙空間動作
小型、高効率
耐宇宙線
機械的安定性
無重力下動作
〜光源〜
〜
NPROを主レーザーとしたYb-fiber MOPA+PPMgOLN
●基本波
高冷却効率
高効率
高ビーム品質
現状：20W励起で12W出力(単一縦横モード)
今後：15W以上の出力
機械的安定性向上と小型化
主レーザーをfiber-DFBにして全ファイバー化
現行
最終形
サイズ 400x400のブレッドボードに載せる
（励起用LDを除く)
〜波長変換〜
〜
● PPMgOLNを用いた高効率波長変換
理論的には変換効率η∝入力パワー(L=10mmで35%@12W)
● L=20mmの結晶では5W以上実現
(狭線幅なので位相整合可能)
実際の出力は理論値より低い(熱レンズ等)
25
破壊閾値 O.K.
紫外線再吸収等で
5W以上は困難
2.0
20
SH Power (W)
課題
1.5
Theory 2.62%/W
15
1.0
10
0.5
5
0.0
コヒーレント加算
0
0
2
4
6
8
1064nm Power (W)
10
12
電通大白川氏
〜主レーザー〜
〜
主レーザーをファイバレーザ ->全ファイバ化で
機械的安定性
fiber-DFB laser
l/2周期
屈折率周期構造
Nd:YAG
2nd Q-sw laser
BBO
cylindrical
lense
phase-mask
現在までの結果
photo-sensitive fiber
p/4 shift
280mW
〜周波数安定化〜
〜
要求値 1 Hz/√Hz@1Hz
まだ達成されていない値
宇宙空間での動作
●free-run での周波数雑音 & 制御利得
●周波数基準
・F.P.共振器
・分子飽和吸収
105
Laser(free-run)
104
PSD(Hz/√Hz)
103
102
I2
101
100
cavity
10-1
10-2
10-3
10-3
Cavityの熱雑音限界
10-2
10-1
100
101
frequency[Hz]
102
103
〜F.P.共振器〜
〜
高フィネス、防震、断熱が必要
2段振り子懸架
doublependulum
suspension
垂直保持
vacuum
chamber
熱シールド
L=50 φ=12.7
RTV
glass disk
φ=52 t=10
(ULE
spacer)
In-foil
101
eddy-current
dumping
Al
101
10-1
M.Musha Opt.Comun180(2000)166
20Hz/√Hz@1Hz
●宇宙空間での動作
M.Notcuff,Opt.lett.30(2005)1815
V.Leonhardt&J.Camp LISA WG 2005/12/5
2Hz/√Hz@1Hz
無重力下での保持
衛星本体の振動
打ち上げ時の振動
機械的安定性
20Hz/√[email protected]
drag-free
〜分子の吸収線による安定化〜
〜
沃素の飽和吸収 I2 R(56) 32-0 @532nm
(光周波数標準として認められている)
・NIST 120cmのセルで 25Hz/√Hz@1Hz
(10cmセルの安定度限界)
Dn =0.5 MHz、S/N =120@10kHz
modulation-transfer
・LISA
30 Hz/√Hz@1Hz
V.Leonhardt&J.Camp LISA WG 2005/12/5
●理論的雑音限界--信号のS/N(ショット雑音)と自然幅
〜沃素安定化光源の安定度向上〜
〜
○理論的雑音限界--信号のS/N(ショット雑音)と自然幅
S /N 
B
Psig
2e
Pback
=
Dn
1
f 
n (S / N) J 0 ( )J1 ( )


●信号のS/Nを上げる

●細い吸収線幅
B
2e
 0L P
飽和強度で決まる
吸収長に比例
・ショット雑音の低減
・光路長の増大
・狭い自然幅
・相互作用長拡がり
・圧力拡がり
・パワー拡がり
共振器を用いた場合
吸収長は増えるので信号強度は上がる
入射powerを下げるためshot-noiseが上がる
L=50 cm、F=35 (FSR=600MHz, Df=17 MHz)
2.5 Hz/√Hz
FS /N  2
2F
増強
p
〜吸収長増加〜
〜
●multi-pass
・制御不要・アラインメント
干渉
●共振器を用いた信号増強
frequency dither locking
変調周波数が低い
雑音が混入
NICE-OHMS
変調が多い
Ring cavity +Modulation transfer
機械的安定度
長期安定度が悪化するので試されていない
共振器安定度の影響
〜細い吸収線〜
〜
光源をYb:YAGにする
l=1031 nm
I2:P(61) 43-0 515 nm
線幅が4倍以上狭い
F=70, L=50 cmの共振器で 0.5 Hz/√Hz@1Hz
Yb:YAGのNPRO+fiber-MOPA
M.Hildebrandt et.al MB6 Proc. of ASSP 2006
INNOLIGHT
〜宇宙動作の光源〜
〜
宇宙研水野先生
現在使われているレーザー・LD
(range finder, inter-sat. communication)
・Q-sw Nd:YAG (LIDAR)
10nz, 12mJ, 1Hz
retro-prism
●宇宙線回路等は1発(濃度-（打ち上げ時)
光学素子は積分
(周回軌道に依存}
LD
損傷無い
ファイバー browning
ジャケットの金コート
PPMgOLN 問題無い(NASA)
Nd:YAG 結晶 color centerを防ぐためにCrを共添加
電気光学素子等-真空差動時に消光比の悪化
Alignment freeに
電荷 --50V以上は注意
wedge
〜宇宙動作時の注意〜
〜
○アラインメント崩れに強いシステム
cats eye等
○可動システムを使わない(release等)
○廃熱は伝導(heat pipe等は使わない)
○温度変化に注意 (保存時-動作時)
○2台準備載せ替え用打ち上げ後はsimulatorとして
工作委託 NEC 東芝 space system (NTS) LD
NEC誘導光電 (LIDAR)
被曝試験高崎原研
〜まとめ〜
〜
周波数安定化
共振器、分子とも安定度到達の可能性はある
共振器 :環境等の影響大-衛星での動作は不可知
→分子吸収線の方が信頼性が高い
今後の研究
○第二高調波発生
○直接励起法に変える
○F.P.共振器を使った安定化
2段懸架、真空+熱シールド
->垂直懸架
○共振器増強型I2飽和吸収を用いた短期安定化

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