2018 Fiscal Year Research-status Report
Direct measurement of coating thermal noise at low temperatures with a folded optical cavity
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18K03681
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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) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 重力波 / 熱雑音 / 低温 / コーティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
LIGO によるブラックホール連星や中性子星連星からの重力波検出は，これまで存在の知られていなかった20 太陽質量を超える恒星質量ブラックホールの発見，ショートガンマ線のバーストの起源解明など，重力波が未知の天体現象を探索するツールとして有望であることを示した。一方で，やっと検出が可能になった段階から，詳細な波形解析によって多くの情報を引き出す段階へと重力波天文学を深化させていくためには，検出器の感度向上が欠かせない。
レーザー干渉計型重力波検出器の感度を制限する主な原因の一つが、鏡の熱雑音である。特に、高反射率を実現するためのコーティングは、光学的特性と低熱雑音を両立させることが難しく、最も大きな熱雑音源となっている。そこで、熱雑音の低いコーティング手法を開発することは喫緊の課題である。
本研究では、KAGRAのような低温重力波検出器において有効なコーティング手法を探るために、低温においてコーティング熱雑音の直接測定をすることができる装置を開発している。開発中の装置は、折返し型光共振器に2つの直交する高次光モードを同時に共振させることで、サンプル鏡面の異なる部位の熱雑音変位を検出し、２つのモードの位相差を測定することで熱雑音の大きさを直接計測するものである。我々の研究のユニークな点は、この装置を20K程度の低温まで冷却可能にすることである。
本年度は、まずこの折返し型光共振器の光学設計や、入射光学系の構築などを行った。それと同時に、常温における折返し型光共振器を用いた熱雑音測定に初めて成功したMITのグループと協力し、常温におけるナノレイヤーコーティングの熱雑音測定を行った。従来型コーティングを超える低雑音の結果はまだ得られていないが、アニーリングによる雑音変化などで興味深い結果が得られている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、まず装置設計の最適化を行った。本研究では、折返し型光共振器に複数の高次モードを同時共振させて熱雑音を測定する。具体的には、曲率を持った2枚の鏡の間に折返し用の平面鏡を置き、V字型の光共振器を構成する。その際、平面鏡上にビーム半径が最小となるウェストが存在することになる。熱雑音はビーム半径が小さいほど影響が大きくなるので、ウェストを充分絞り込むような光学設計をすると、光共振器全体の長さ揺らぎは平面鏡の熱雑音で支配されることになる。そのような設計では、平面鏡を取り替えることで、様々なサンプルの熱雑音を迅速に測定することができるため好都合である。
一方で、レーザーの光をTEM00, TEM02, TEM20の3つの光モードに分け、それぞれ同一の光共振器に同時共振をさせる際、異なるモード間のGuoy位相変化により、これらのモードの共振周波数はシフトする。そのシフト分を補償するために、音響光学変調器(AOM)を用いるが、そのシフト量には限界がある。Guoy位相変化とビームウェストサイズには関係があるため、実験的に実現可能かつできるだけウェストが低くなるような、光学設計最適化を行った。
それと並行して今年度は、低温測定への前段階として、常温の折返し共振器によるコーティング熱雑音測定を、この装置を保有するMITのグループと協力して行った。測定対象のサンプルは、ナノレイヤーコーティングと呼ばれる新しいコーティング手法で製作したものである。これは誘電体多層膜の高誘電率レイヤーを、ナノスケールの多層膜構造で置換したもので、アニーリング可能温度を上げることで、より熱雑音の低いコーティングが実現できると期待されている。今年度の測定により、興味深い結果が得られてきており、引き続きアニーリング条件などを変えながらデータを蓄積していく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
折返し光共振器を低温にする際に問題となるのは、熱収縮とそれに伴う光学アラインメントのズレである。実際、今年度最適化を行った折返し共振器のパラメータ最適化解析によると、共振器の長さが0.5mmズレただけで、性能が大きく低下してしまう。常温で運用されるMITの装置では、通常のミラーホルダーに鏡を取り付けて光共振器を構成していたが、我々の装置では熱膨張率の低い素材で作った、一体型のスペーサーに鏡を貼り付ける構成を検討している。
また、熱収縮による光学アラインメントの変化を補償するために、低温でも動作するアクチュエータを用いた、アラインメント調整機構の導入を検討している。
熱膨張率の低いインバーのような素材では、熱伝導率も低い傾向がある。そのため、冷却に時間がかかりすぎないように、排熱経路の確保など熱設計を進める必要がある。また、冷凍機の振動が混入して共振器長を変化させることによる雑音を低減するため、既存クライオスタットの防振対策なども実施していく予定である。
既に開始している、入射光学系の構築をさらに進めて、2019年度中には常温で折返し共振器のロックを達成する予定である。そこで、装置の雑音特性などを評価し、問題点があれば改善する。特にレーザーの強度雑音は性能を制限する要素となることが、MITの実験で判明しているため、強度安定化制御の最適化は実験成功の鍵を握る。2020年度には冷却した状態で折返し共振器をロックし、低温におけるコーティング熱雑音の直接測定を実現したい。
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[Journal Article] Measurement of optical losses in a high-finesse 300 m filter cavity for broadband quantum noise reduction in gravitational-wave detectors2018
Author(s)
E. Capocasa, Y. Guo, M. Eisenmann, Y. Zhao, A. Tomura, K. Arai, Y. Aso, M. Marchio, L. Pinard, P. Prat, K. Somiya, R. Schnabel, M. Tacca, R. Takahashi, D. Tatsumi, M. Leonardi, M. Barsuglia, and R. Flaminio
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Journal Title
Phys. Rev. D
Volume: 98
Pages: 022010
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
