Transcript スライド 1 - 国立天文台

レーザー干渉計型
JASMINE望遠鏡ジオメトリーモニターの開発
丹羽佳人(京大人環・国立天文台) 新井宏二 上田暁俊 (国立天文台)
阪上雅昭(京大人環) 郷田直輝 小林行泰 矢野太平 (国立天文台）
山田良透（京大理）
他JASMINEワーキンググループ
JASMINE-Geometry Monitor WG
2008 5/2
重力波研究交流会
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Outline
ヘテロダイン型レーザー干渉計を用いた複数自由度の微小変動量測定
1. Motivation
- 望遠鏡ジオメトリモニターの必要性 -
2. 測距装置
- ヘテロダイン型マッハ・ツェンダー干渉計 -
3. 開発状況
- 多自由度(Length,Pitch,Yaw)同時測定 -
4. future work
- 干渉計感度実証実験 -
5. Summary
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1. Motivation
•JASMINE
PROJECT
(Japan Astrometry Satellite Mission for INfrared Exploration)
⇒近赤外線による位置天文観測を衛星を用いて行う計画
JASMINEの目標
3万光年
現在の星図の範囲
300光年
はじめて我々の銀河系の構造が明らかになる
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1. Motivation
•JASMINEの観測原理
o 位置天文観測
年周視差
横断速度
⇒距離の情報
⇒固有運動の情報
o 観測領域の全体像
スナップショット(小フレーム)を無矛盾に連結
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1. Motivation
•望遠鏡に対するrequirement
JASMINE 望遠鏡
o 望遠鏡の各コンポーネントの変形
副鏡
⇒各小フレームの拡大率変動
～1m
主鏡
o JASMINEの目標精度
～1m
拡大率 3.3×10-11 ⇒角度変動 ～10prad
～0.3m
以内が必要
⇒長さ変動 ～10pm
赤外線検出器
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1. Motivation
•対処方法
o 熱構造設計
o 材料
o 熱制御
etc.
それでもやはり10pm～100pmほど動く
レーザー干渉計で安定度を監視する
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1. Motivation
•望遠鏡ジオメトリモニターの開発の流れ
I.
複数自由度を矛盾なく測定できることを実証
II.
干渉計で10時間のRMS値で10pmの精度で測定できることを実証
III. 1mスケールの構造体の安定度を10時間のRMS値で10pm の精度で実測
•本実験の目的
Ⅰの実証
レーザー干渉計を用いて鏡の動きを3自由度で同時に測定する
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2.測距装置
•測距信号検出方式
δf のうなり
ヘテロダイン干渉法
δx
測距信号
Laser ν
ν+ δf/2
位相比較
AOM
Reference信号
AOM
ν- δf/2
ヘテロダイン型マッハ・ツェンダー干渉計
うなりの位相変化 δφ を測定し、長さ変動量 δx を検出
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2.測距装置
•多自由度測定への応用
Yaw
Pitch
Length
o 鏡の3自由度の動きをモニター
(Length , Pitch , Yaw)
⇒4箇所での長さ変動を測定
⇒3自由度の変位に読み替える
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2.測距装置
•3自由度ジオメトリーモニター光学系
Target mirror
５組のマッハ・ツェンダー
干渉計をセットアップ
Laser bench
(0.3m×0.3m)
Optical bench (0.6m×0.6m)
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3.開発状況
•多自由度測定の検証
① 4つのヘテロダイン干渉計を同時に動作
② 3自由度の動作を分離して測定
③ Reconstructionの精度 (Cal誤差、カップリング)評価*
*JASMINEの主鏡をモニターしていると考えると…
各自由度の変位伝達関数に対する要求
⇒
reconstruction
副鏡
Length [m]
Pitch [m]
Yaw [m]
Length [m]
1±0.23
≦0.063
≦0.063
Pitch [m]
≦1.34
1±0.15
≦1.34
Yaw [m]
≦1.34
≦1.34
1±0.15
主鏡
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3.開発状況
①4ch 同時測定
Length方向にPZTで三角波を入力
⇒
1ch
2ch
3ch
4ch
Ref.
干渉計信号 ～50KHz
デジタル位相比較器
(4046-PC3)
4chで同時に変位測定ができていることを確認
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3.開発状況
②3自由度動作の分離
各自由度にPZTで同時に正弦波を入力
(L,Y,P)=(1Hz,2.3Hz,3.3Hz)
⇒1ch～4chで測定
3自由度の動きの分離に成功
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3.開発状況
③Reconstructionの精度評価
各自由度の変位伝達関数を測定
reconstruction
Length [m] Pitch [m]
Yaw [m]
Length [m]
0.97
0.040
0.043
Pitch [m]
0.037
0.90
0.039
Yaw [m]
0.0082
0.042
0.85
⇒Cal誤差
: 15%以下
⇒カップリング : 4.3%以下
JASMINEの要求精度を満たすレベル
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4. future work
•望遠鏡ジオメトリモニターの開発の流れ
⇒
検証完了
I.
複数自由度を矛盾なく測定できることを実証
II.
干渉計で10時間のRMS値で10pmの精度で測定できることを実証
III. 1mスケールの構造体の安定度を10時間のRMS値で10pm の精度で実測
Ⅱの実証
感度実証実験:
ヘテロダイン干渉計を用いて
10時間のRMS値で10pmの精度で測定する
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4. future work
•JASMINEモニターの要求精度と雑音レベル
Requirement
位相雑音
[rad]
10-4～10-3 [/10h]
温度ドリフト
[m]
周波数雑音 [δf/f]
雑音レベル
～10-10 [/1day]
～10-11 [/1day]
～5×10-5 [1/10h]
水晶発振器
Rb発振器
デジタルロックインアンプ
10-11～10-10 [/10h]
～10-11 [/10h]
温度安定度1mkで
ULE10-8[m/K]を1m使用
10-11～10-10 [/10h]
～7.4×10-14 [/8day]
ヨウ素安定化レーザー
(産総研 波長標準グループ)
10時間のRMS値で10pmは達成できる見込み
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4. future work
•干渉計の雑音レベル
o 大気中における1mスケールの干渉計雑音レベル
•10時間でのRMS値 ⇒ 0.1um
•数時間のタイムスケールのドリフト ⇒ 温度変化による光路長変化
温度変動の影響を受けにくい干渉計設計が必要
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4. future work
•感度実証実験のための準備
o Reference信号の安定化
δx
Laser ν
測距信号
ν+ f1
位相比較
AOM
AOM
ν+ f2
Reference信号
PLL
Reference信号の位相を安定化することによって
同相雑音を抑える
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4. future work
o Reference信号の雑音レベル
緑: reference信号の雑音レベル(in loop ) ⇒ 要求値まで残りfactor
紫: 位相比較器の雑音レベル
青: 干渉計の雑音レベル (out of loop)
In loop での10pmの雑音レベル達成の見込み
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4. future work
o 感度実証実験のための光学系設計
Vacuum chamber
理想的には4つのBSが配置されたエリアの安定度
で感度が決まる
⇒現在セットアップ中
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5. Summary
•Summary
o JASMINE PROJECT
o 望遠鏡モニターの必要性
⇒レーザー干渉計型望遠鏡ジオメトリーモニター
o 多自由度測定の検証
○①4つのヘテロダイン干渉計を同時に動作
○②3自由度の動作を分離して測定
○③Reconstructionの精度評価
o 感度実証実験(今年度 実験予定)
ヘテロダイン干渉計でJASMINEの目標感度で
の測定を目指す
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