2015 Fiscal Year Annual Research Report
Direct measurement of mirror coating thermal noise for improving the sensitivity of gravitational wave detectors
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15H05447
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| Research Institution | National Astronomical Observatory of Japan |
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Principal Investigator |
麻生 洋一 国立天文台, 重力波プロジェクト推進室, 准教授 (10568174)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 重力波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鏡の熱雑音は，次世代重力波検出器の主要な雑音源であり，検出器感度をさらに高めて重力波天文学の可能性を広げていくためには，その低減が必須である。本研究では，次世代重力波検出器の動作温度である低温において，鏡の熱雑音の中でも特に支配的な，誘電体多層膜コーティングに起因する熱雑音の直接測定を世界で初めて達成することを目指している。この装置は常温から低温まで広い温度範囲で熱雑音の直接測定が可能であり，測定結果をコーティング作成プロセスにフィードバックすることで，最適なコーティング技術を確立する。また，本研究によって低熱雑音の高反射率コーティングが実現されれば，次世代光周波数標準など他分野への波及効果も期待される。
本研究で開発する装置は，2台の小型光共振器から構成される。光共振器のミラーに施される誘電体多層膜が熱雑音によって振動すると，共振器長が変化する。しかし，その変化量は極めて小さいため，そのままでは他の雑音(レーザーの周波数変動など)に埋もれて測定できない。そこで，2台の共振器の長さ変動の差分を取ることで，熱雑音以外の雑音を同相除去する。2台の共振器をクライオスタット内に設置して冷却することで，低温における熱雑音の測定を目指す。
本年度は，光共振器の設計最適化を行った。コーティング熱雑音を効率的に測定するには，鏡上のビームサイズを小さくする必要がある。これは，熱雑音による鏡表面のゆらぎが，広いビームスポットでは平均化されて小さくなるからである。安定な共振器を構成しつつ，ビームスポットを最小化するような光学設計を行った。また，本研究に用いるクライオスタットの冷却試験を行い，所期の温度(4K)に到達できることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では，光共振器を用いて，コーティング熱雑音を測定する。位相変調をかけたレーザーを光共振器に共振させ，その反射光を光検出器で受けることで，共振器長の変動を測定することができる。この際，レーザー光は有限の断面積を持っているため，そのビームサイズ内で発生する鏡表面の平均位置の変動が，検出される共振器長変動となる。コーティング熱雑音は，鏡表面を空間的にランダム変動させるため，大きなビームサイズを用いた場合，そのゆらぎが平均化されて，小さくなってしまう。我々の研究では，熱雑音の影響をできるだけ大きく検出したいので，ビームサイズを絞ることで，より熱雑音の測定が容易になるような共振器を設計した。
また，研究を進める中で，海外のグループから新しい熱雑音測定方法として，高次の光学モードを用いる方法が提案された。これは，直交する2つの光学モードを同時に共振器に共振させることで，コーティング熱雑音の独立な成分を測定するというものである。これは，優れた同相雑音除去性能を与えてくれると期待されるので，我々の共振器においてもこの方法が使えるように，光学設計を変更する必要が生じた。そのため，光共振器自体の製作は，平成28年度へと繰り越すことになった。平成28年度前半には，光共振器の再設計を終了し，年度後半に製作が完了した。
本研究では，光共振器を冷却することが大きな特徴の1つである。冷却には，重力波検出器KAGRAの開発過程で得られたノウハウを活用し，低振動型冷凍機を用いたクライオスタットを利用する。本年度はこのクライオスタットの冷却試験を行った。その結果，設計通り3日で4Kまで到達することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では，いかにして熱雑音以外の要因による光共振器長の変化を最小に抑えるかがポイントとなってくる。その際，大きな問題となるのは地面の振動である。共振器に振動が伝わると，弾性変形によって共振器の長さが変化してしまう。変形の大きさは，共振器をどのように支持するかによって変わってくる。特に，支持点を上手く選ぶと，鏡が傾く効果がキャンセルされ，共振器長変動のゼロ点が生じる。有限要素法を用いた弾性変形解析によって，最適な支持点を決定する必要がある。
また，最適な支持点で保持したとしても，完全に振動の影響を排除することは難しいため，防振装置の上に光共振器を設置する。この防振装置は，低温でも動作する必要があるため，低温における機構部材の物性値変化を考慮に入れた特別な設計を行う。
メカニカルな設計と並行して，共振器をロックするための入射光学系の設計，構築も進める。特に，本実験ではレーザーの周波数を大幅に制御で抑え込む必要があり，シリコン共振器を用いた一段の安定化では実装が難しい可能性が高い。そこで，周波数プレ安定化用の光共振器を金属製スペーサーで製作し，二重ループの周波数安定化システムを構築する。
機械系，光学系の構築が完了したら，まずは常温において光共振器をロックし，ビート信号から熱雑音の測定を行う。常温で理論から予測される熱雑音レベルの信号が観測されたら，次はクライオスタットを冷却し，低温における熱雑音測定を目指す。この際，冷却によって共振器のアラインメントなどが変化するため，その変化を入射光学系の方で補償する仕組みを導入する必要がある。また，低温では支持点による振動感度のゼロ点もズレると考えられるので，何度かの試行錯誤が必要になる。
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Research Products
(1 results)
