大型低温干渉計型重力波観測機KAGRAの開発

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17J08115
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中野 雅之 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Keywords: 重力波 / 周波数安定化 / 入射光学系 / 光共振器

Outline of Annual Research Achievements

当該年度、申請者はKAGRAの入射光学系、特にPre-stabilized laser(PSL)とInput mode cleaner(IMC)について開発とインストールを行ってきた。入射光学系は主干渉計に安定な光を送るためのサブシステムである。多くの安定化は光共振器を使って行われる。
重力波観測機では強度や周波数の安定化されたレーザー光が必要不可欠であるが、当該年度は特に周波数安定化について、インストール、インテグレーションを行い、その性能評価まで完了した。
KAGRAの周波数安定化システムは全部で3つの周波数参照を使った3stageの階層制御で行う。このうち、第一階層の周波数参照共振器であるReference cavity (RC)と第二階層の周波数参照共振器であるIMCは入射光学系の管轄である。PSL上に置かれるRCを使った1st loopでは、レーザー結晶に取り付けられたPZTやbroadband EOMにフィードバックし、レーザー周波数を制御し安定化する。RCの制御帯域は500kHz程度である。second loopではRCより大きく、共振器長も安定なIMCを周波数参照とし、さらなる安定化を行う。また、RCの方が安定な1Hz以下の低周波帯ではIMCの共振器長を制御する。 IMCの制御帯域は20kHz程度である。
Reference cavity(RC)とIMCの制御は非常にロバストで、調整することなく1週間以上ロックし続けることができることは実証されている。また、現状では2kHz以上で要求値を達成していないが、達成のためのサーボフィルタの改善設計などを行い、要求値達成可能性を示した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2018年度初期に予定されていた試験観測に必要な安定なシステムのインストールついて達成したと同時に、重力波観測に必要な周波数安定度達成のための指針を示すことに成功したため。

Strategy for Future Research Activity

周波数安定化に関しては最適化のシミュレーションができたので、最適なサーボの作成や、PDに入射するパワーを上げ、シミュレーション通りのconfigurationを実現することが急務である。
それと同時に、現在安定度をリミットしている残留強度変調雑音の原因特定と低減を行う。まず考えられるのはEOMでの結晶軸と偏光方向の不一致や散乱光なので、それらを調べ対処する。またもう一つの雑音減であるIMCループでの周波数制御に使っている、Voltage controlable oscillator(VCO)についてもアメリカの検出器であるLIGOと情報交換をしつつ、必要であればさらなる改良を施す。
また、入射光学系としてのインストール作業はまだまだ残っており、強度安定化システムの構築、Pre-mode cleaner(PMC)のインストールなどがある。また、今夏には40Wのハイパワーレーザーのインストールが予定されている。また、これまでIMCの長さの制御のみについて触れてきたが、共振器の制御にはアライメントの制御も必要となる。
現在のプランでは重力波観測機における雑音減の一つであるビームジッターはPMCとIMCによるパッシブフィルタリングしか予定されていない。しかし、同様なconfigurationであるLIGOでは現在ビームジッターが問題となっており、新たにビームジッター低減のための光共振器のインストールが検討されている。したがって、KAGRAでも問題になる可能性があり、要不要の議論や対策案の議論が必要となる。