光AC結合信号検出によるレーザー干渉計の低ショット雑音化

• 研究課題/領域番号: 21K03606
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 福岡大学
• 研究代表者: 大前 宣昭 福岡大学, 理学部, 准教授 (60615160)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: レーザー干渉計 / 光共振器 / 光ショット雑音

研究開始時の研究の概要

レーザー干渉計型重力波望遠鏡では、感度を向上させるために高出力なレーザーを使用する。レーザーの高出力化に伴い、光検出器での受光パワーが限界に達しつつある。そこで、レーザー干渉計の光信号を電気信号に変換する光検出器において、従来の光の直流検出＋電気的なAC結合ではなく、光共振器の反射光のフィルタ効果を利用した「光AC結合」による信号検出方法を提案し、少ない受光量で高感度な低ショット雑音のレーザー干渉計を実験的に実証し、大型重力波望遠鏡への応用可能性を見出す。

研究成果の概要

レーザー干渉計型重力波検出器で用いるレーザーの高出力化に伴い、光受光部の光パワーが増大し、限界に達しつつある。本研究では、重力波の信号が交流信号であることに着目し、光AC結合技術のレーザー干渉計への導入を提案した。光共振器のフィルタに着目し、3種類の光共振器を製作し、マイケルソン干渉計と組み合わせた動作に成功した。光AC結合技術の実証のために、重力波の疑似信号をマイケルソン干渉計に注入し、光検出器の直流での受光量に対する信号感度を評価し、従来の光検出方法と比べて、直流での受光量に対し、5倍高感度に信号検出できることを実証し、本研究提案の手法の優位性を示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高感度なレーザー干渉計による重力波の直接検出によって、ブラックホールや連星中性子星の合体などが観測され、宇宙を見る新しい手法が確立し、レーザー干渉計のさらなる高感度化による宇宙への理解が期待されている。本研究では、レーザー干渉計型重力波検出器の今度の高感度化において今後課題となる、レーザーパワーの増大による受光素子の限界、を突破するために、光共振器の性質を利用した光AC結合による光干渉信号の検出手法を提案した。本研究において、その原理を実証するための実際の実験装置の詳細な構成や条件を見出し、実際に実験室サイズの光干渉計を構築し、本手法の原理の優位性を実験的に実証した。