DECIGO/DPF 用の周波数安定化光源の開発 (3)

DECIGO/DPF 用の
周波数安定化光源の開発 (3)
電気通信大学
レーザー新世代研究センター
中村真大*、堀内慎也、武者満、中川賢一、植田憲一
2009年 9月 10日於日本物理学会秋季大会
目的
DECIGO / DPFの光源開発
DECIGO PathFinder (DPF)･･･DECIGO の技術実証機
DECIGO と DPFの要求性能
DECIGO
DPF
光強度
10 W
100 mW
波長
532 nm (or 515 nm)
1064 nm (or 1030 nm)
強度安定度
δI / I ≦10-8/√Hz
δI / I ≦10-8/√Hz
周波数安定度
δf ≦ 0.5 Hz/√Hz ＠ 1 Hz
＠532 nm
δf ≦ 1 Hz/√Hz ＠ 1 Hz
＠1064 nm
DECIGO と DPF の強度･周波数安定度の要求は同レベル
強度・周波数安定度の要求達成を目指す
前回の発表（１）
1. DPF用光源として
ヨウ素の飽和吸収線によるYb:NPROの周波数安定化
・ファイバ結合導波路型PPLNで、安定･高出力な第2高調波発生
⇒ 第2高調波の強度が 10 mW から 20 mWへ向上
]
z
H
t
r
/
m
B
d
[
・I2 −光の相互作用長を40 cm から200 cmに延長
⇒ 周波数弁別信号のS/N向上
・I2 −光の相互作用時間を延ばすためセル中ビーム径を拡大
⇒ 飽和吸収線の飛行時間拡がりを抑制
・偏光調整により光のフレネル反射を抑制
⇒ 光散乱雑音が減り信号のS/Nが向上
これらの改善により弁別信号のS/Nが向上
その信号でYb:NPROを周波数安定化
l
a
-30
n
g -40
i
s -50
r -60
o
r -70
r
E -80
-90
10
100
Frequency [Hz]
1000
前回の発表（２）
2. DECIGO用光源の検証として*
ファブリ･ペロー共振器による
Nd:NPROの周波数安定化を行った
・機械振動が周波数安定度へ与える影響
（1 Hz/rtHz以下の実現には加速度が 10-5 m/s2以下）
・共振器の温度ゆらぎが周波数安定度に与える影響
（1 Hz/rtHz以下の実現には温度ゆらぎが 3 µK以下）
* DECIGOの安定化光源は、
光共振器と飽和吸収分光法のどちらを利用するか検討中である
今回の発表
・Yb:NPRO の強度安定化を行い、
強度安定度と周波数安定度を向上させた
・周波数安定化に最適な
ヨウ素の飽和吸収線を特定した
レーザー強度安定化
観測帯域 (1Hz帯) での強度安定化
･･･重力波検出器の感度向上
変調帯域 (200 kHz帯) での強度安定化
･･･レーザー周波数安定度の向上
なぜ 200 kHz の強度雑音が
周波数雑音と結合するのか？
強度雑音と周波数雑音の結合
200kHz
位相変調
]
z
H
t Lock-in
r Amp.
/
V
[
EOM
PBS
pump
probe
I2 Cell
1E-6
1E-7
1E-8
ショット雑音
1E-9
1E+1
1E+2
1E+3
1E+4
1E+5
1E+6
1E+7
1E+8
Freq. [Hz]
光源の相対強度雑音スペクトル
.
f 0
f
i
d
-5
光源の相対強度雑音
1E-5
周波数安定化系
l
a
n5
g
i
s
1E-4
RIN [1/√Hz]
200 kHz
変調帯域200 kHzの強度雑音は
光検出器のショット雑音より大きい
0
2
4
6
Laser frequency [MHz]
8
⇒ 周波数雑音に強度雑音が結合している
強度安定化の４方式
・光源の励起用LDの電流変調
原理的には制御帯域が広いが、
光源の制約で100 kHz以上は対応できない
・EOM (電気光学変調器)
応答が速く、200 kHz帯の安定化も可能
ただし動作に高いDC電圧が必要
・AOM (音響光学変調器)
応答が遅く、200 kHz帯の安定化はできない
・同相雑音除去
信号から電気的に雑音を除去
feed forwardであり利得が1
今回はこの2方式について報告を行う
観測帯域１Hzの強度安定化（AOM）
AOM とは、特定周波数の音響振動によって光を散乱させる素子
AOMを利用した強度変調･･･
AOM駆動信号 (80MHz正弦波) を強度変調し、AOM回折効率を変調
振幅変調された80 MHz信号
AM input
ビームサンプラ
光源系から
7.9 mW
AOM
(80MHz)
Servo
filter
0.9 mW
]
g 50
e
d
[
0
e
s
a -50
h
P
-100
-150
AOMの位相−周波数特性
105
106
Freq. [Hz]
107
観測帯域１ Hzの強度安定化（
化（AOM）
1.E-02
freerun
stabilized
Relative Intensity Noise [/rtHz]
1.E-03
1.E-04
1.E-05
1.E-06
DECIGO要求値
1.E-07
äI
= 10-8
I
1.E-08
1.E-09
1.E+01
1.E+02
Freq. [Hz]
1.E+03
1Hz帯での強度安定化を行った (unity gain 10 kHz)
低域ゲインを増せば要求達成が可能
変調帯域 200 kHzの強度安定化(同相雑音除去）
ビーム
I2 セル
サンプラ
Vsignal + δvcommon
200 kHz
＋
TEC
−
δvcommon
Vsignal
15
10
5
0
FFTアナライザ
-5
-10
-15
１. 飽和吸収信号の光源強度雑音成分を、減算回路で除去
２. 弁別信号のS/Nが向上し、周波数安定度も向上する
周波数雑音限界 δf ＝ df δV
dV
]
変調帯域
200 kHzの強度安定化（同相雑音除去）
m
B
d
復調後の雑音パワースペクトル
[
（周波数安定度と比例）
m -10
u
r
t -20
c
e
p -30
s
-40
r
e
w -50
o
P -60
-70
15
Noise suppressed
Direct
10
5
0
-5
-10
-15
弁別信号に重畳した
雑音のスペクトル
1
10
Freq. [Hz]
100
光の同相雑音を除去し、周波数安定度が向上した
飽和吸収線の評価（光源の波
長掃引
特性））
源の波長
掃引特性
Yb:NPRO結晶温度による波長掃引
1.03024
理論による
波長掃引特性
Wavelength [μm]
1.03023
(LD電流2.0A)
δλ = 0.04 nm
1.03022
1.03021
1.03020
1.03019
1.03018
1.03017
15
20
25
30
35
40
45
50
Tempature [℃]
実測値はモードホップ後に、同じ波長範囲へ戻ってしまう
つまり波長の選択幅が小さく、吸収線の自由度が少ない
（我々のNPRO固有の問題？）
飽和吸収線の評価
周波数安定化には鋭い飽和吸収線が有効
微分値が最大の信号＝周波数安定化に最適
6
4
飽和吸収線
(1次微分)
2
0
-2
-4
-6
0.6
0.8
1
1.2
1.4
飽和吸収線
(2次微分の2乗)
波長515.10085 nm
最適な吸収線
1.6
1.8
まとめ
・観測帯域 1HzでAOM強度安定化を確認
・変調帯域200kHzで同相雑音除去により
周波数安定度が向上することを確認
・周波数安定化に最適な吸収線を特定
今後の予定
・強度安定化のサーボを最適化する
・機械的信頼性の高い可搬式光源を構築中
通総研のモードロックレーザーと周波数安定度を評価する

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