Transcript 補助ロックシステム

講演番号：11aSN-11
干渉計型重力波検出器 KAGRA
のための
補助ロックシステム設計
国立天文台
辰巳大輔
国立天文台, CaltechA, 東大理B, 産総研C, 東大天文D, 東大宇宙線研E, 東大工F, 電通大G,
東工大理工H, 通総研I
辰巳大輔, 新井宏二A, 麻生洋一B, 寺田聡一C, 我妻一博, 阿久津智忠, 安東正樹, 和泉究D, 内山隆E,
大前宣昭F, 阪田紫帆里G, 柴田和憲B, 宗宮健太郎H, 陳タンD, 長野重夫I, 西田恵里奈E, 三尾典克F,
道村唯太B, 宮川治E, 三代木伸二E, 武者満G, 山元一広E, 山本博章A, KAGRA collaboration
2012 年 9 月 11 日
2012年秋季物理学会 @京都産業大学
KAGRA干渉計の概要
KAGRA 干渉計
3km 共振器
主干渉計だけで11枚のミラーで構成される
複雑な干渉計
3km 共振器
レーザー光源
ロックとは？
KAGRA 干渉計の重力波検出感度を最大にするためには、
主干渉計を構成する “ミラー間の距離” をレーザー光が
共振を維持するように制御する必要がある。
（もちろんミラーになんらの外乱が及ばなければ ...）
ここでは、制御システムによってミラー間の距離を
ある条件を満たす制御点に引き込むこと
を
“干渉計のロック”
と呼ぶ。
ロックシステムにおける
“キーポイント”
１．KAGRA 干渉計は 複雑。
２．重力波観測の稼働率を上げるには、
複雑な干渉計を、順序良く
確実に
制御点に引き込みたい。
通常ロックでの問題点
一番難しいのは 3km 共振器のロック !!!
重力波への感度を高めるために、
3km 共振器内でレーザー光が何度も往復するように
フィネス 1500 と高く設計されている。
 共振器線幅が 0.33 nm と非常に狭い。
共振器長を上記の線幅より十分に小さく抑え込まないと
ロックしたとは言えない。
例えば、マイケルソン干渉計なら λ/4 = 250 nm より小さく
抑え込めていればロックしたと言える。
共振器線幅の広さが、ロックの難易度を左右する。
PR2 / SR2
>0.5
As large as possible
PR3 / SR3
<0.1
As small as possible
BS
>0.9
As large as possible
0.2
0.1
0.2
0.1
補助ロックシステム概要
ITM
ETM (*)
532 nm 波長に対して、共振器線幅が 27 nm
* Transmission of ETM must be smaller than ITM
なので、ロックが容易となる。
PR3
BS
３km 共振器
ITM
ETM
Finesse = 10
PRM
PR2
Mirror Spec. for 532 nm laser
Green Laser
wavelength : 532 nm
Mirror
Trans
Torelance
PR2 / SR2
>0.5
As large as possible
PR3 / SR3
<0.1
As small as possible
BS
>0.9
As large as possible
ITM
0.2
0.1
ETM (*)
0.2
0.1
* Transmission of ETM must be smaller than ITM
補助ロックシステム概要
PR3
BS
Main Laser
ITM
Finesse = 1500
ETM
Finesse = 10
wavelength : 1064 nm
PRM
PR2
Green Laser
wavelength : 532 nm
532 nm 波長を使って 3km 共振器をロック
した後、最終的には 1064 nm 波長に対して
ロックできなければ、
重力波感度を最大化できない。
補助ロックシステム
“設計の成功条件“
共振器制御を 1064 nm 制御系へ引き渡すためには 1064 nm 波長
に対する power-recycled arm cavity の
共振器線幅 33 pm
以下に共振器長揺らぎを抑え込む必要がある。
これが満たされるように、補助ロックシステムは
十分な大きさの制御ゲイン
十分小さなシステム雑音
を有さなければならない。
制御系の詳細設計が必要 !!!
Aso configuration for
LCGT
locking
補助ロックシステム：
概
念green
設計
PR3
or
SR3
End
Test
Mass
Input
Test
Mass
周波数安定化された
メインレーザー
Arm Cavity
L=3000m
PR
or
SR
PreStabilized
Laser
IR=1064nm
Resonant
EOM
光ファイバー伝送
Innolight
PROMETHEUS
PR2
or
SR2
IR=1064nm
Before switchig
Green PDH locking
to IR PDH locking,
the offset frequency
is swept to find
resonant point of
the arm cavity
for IR beam.
Thermal
PZT
Servo
Filter
for PLL
Ctrl
offset
freq.
PD for
PLL
Beam
Splitter
offset
freq.
phase
comparator
2012-06-01
from PSL
Dump
Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA
Aso configuration for
LCGT
locking
補助ロックシステム：
概
念green
設計
PR3
or
SR3
End
Test
Mass
Input
Test
Mass
Arm Cavity
L=3000m
PR
or
SR
PreStabilized
Laser
IR=1064nm
Resonant
EOM
2012-06-01
PR2
or
SR2
Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA
Aso configuration for
LCGT
locking
補助ロックシステム：
概
念green
設計
2012-06-01
End
Test
Mass
Arm Cavity
L=3000m
PreStabilized
Laser
IR=1064nm
Resonant
EOM
PR2
or
SR2
Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA
補助ロックシステム：詳
細設計
A_VCO (V->Hz)
-K-
5
A_AOM
9
fCAV FR
= Seis
7
fIR
SHG
induced
noise
1
fIR
pendulum
F_GR1
F_GR
zeros(s)
poles(s)
A_MASS
F_MASS
2
noise
injection
point1
-K-
(s+wCav)
PDH_GR
noise
injection
point2
Cavity Pole
8
3
2
各種雑音
s2
Shot PLL
add 1
F_PZT
5
Shot PLL
2*pi
s
Shot
10
IR PDH
4
9
f->phi 3
2*pi
s
2
feedback
point
of PLL
f->phi 2
2*pi
s
f->phi 1
trans.
11
noise
noise
sum
-K-
-KBeam
combiber
phase
comparator
7
制御フィルタ
Elec. PLL
zeros(s)
foffset
Demod_GR
11
3
SW_THR
F_THR
Shot
GrPDH
wCav
IR->GR
feedback
point
of GR
-K-
s2
fIR FR
8
4
A_PZT
1
inverted_pend
6
zeros(s)
poles(s)
num(s)
den(s)
2
-K-
fPSL
num(s)
den(s)
6
zeros(s)
A_THR
den(s)
feedback
point
of f_cav
SHG
-K-
w_IP*w_IP
VCO
freq.
noise
zeros(s)
poles(s)
noise
injection
point
phase
comparator
gain
PDH_IR
noise
injection
point3
Hz->m
10
IR Error
補助ロックシステム制御後の
共振器長揺らぎ
Displacement noises at IR Error
10
m /sqrt(Hz)
10
-8
周波数安定化
メインレーザーの
trans.
noise is assumed
to be 1 Hz/sqrt(Hz)
周波数揺らぎ
-10
10
-12
10
-14
10
-16
10
-18
10
-20
＋
Shot PLL
光ファイバー伝送
Elec. PLL
により生じるf
f
周波数揺らぎSHG
IR FR
offset
Seis
Shot Gr
VCO
Shot IR
trans. noise
-3
10
10
-2
10
-1
0
10
10
1
Frequency (Hz)
Frequency
(Hz)
2
10
10
3
10
4
Aso configuration for
LCGT
locking
補助ロックシステム：
概
念green
設計
PR3
or
SR3
End
Test
Mass
Input
Test
Mass
周波数安定化された
メインレーザー
Arm Cavity
L=3000m
PR
or
SR
PreStabilized
Laser
IR=1064nm
Resonant
EOM
光ファイバー伝送
Innolight
PROMETHEUS
PR2
or
SR2
IR=1064nm
Before switchig
Green PDH locking
to IR PDH locking,
the offset frequency
is swept to find
resonant point of
the arm cavity
for IR beam.
Thermal
PZT
Servo
Filter
for PLL
Ctrl
offset
freq.
PD for
PLL
Beam
Splitter
offset
freq.
phase
comparator
2012-06-01
from PSL
Dump
Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA
補助ロックシステム制御後の
共振器長揺らぎ
Displacement noises at IR Error
10
-8
Shot PLL
Elec. PLL
fIR FR
累積積分揺らぎ
RMS10
32 pm
trans. noise is assumed
共振器揺らぎスペクトラム（総和）
to be 1 Hz/sqrt(Hz)
-10
f
m /sqrt(Hz)
32 pm RMS
10
-12
10
-14
10
-16
10
-18
10
-20
offset
SHG
Seis
Shot Gr
VCO
Shot IR
trans. noise
-3
10
10
-2
10
-1
0
10
10
1
Frequency (Hz)
Frequency
(Hz)
2
10
10
3
10
4
まとめ
• 補助ロックシステムによる制御後、
3km 共振器の共振器長揺らぎは RMS で 32 pm。
最低限の目標であった 33 pm 以下は満たしている。
が、本当に確実性を上げるにはあと数倍、できれば１桁低減したい。
• 現状、揺らぎの大きさを決めているのは共振器長測定の基準とした
安定化メインレーザーの周波数揺らぎ +
光ファイバー伝送で生じる周波数揺らぎ。
• これらは、今回詳細設計を行った補助ロックシステムの制御系設計
では改善できない。
• メインレーザーの周波数安定化および、
光ファイバー伝送起因の周波数雑音
についての詳細設計ならびに実験的検証が必要。
周波数安定化
Reference Cavity への要求値
Requirement for Reference Cavity
10
1 Hz/sqrt(Hz)
1
0.1
2e-2
0.01
1e-3
0.1
1
10
100
f (Hz)
1k
10k
光ファイバー伝送で生じる
周波数揺らぎ
w/o phase correction
w/ phase correction
Reference: LIGO-T0900376
measured system noise
1 Hz/sqrt(Hz)
1
10
100
Frequency [Hz]