KAGRA subgroup report Cryogenics T. Suzuki, Y. Sakakibara KEK/ICRR 2015.02.05.
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
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Transcript of 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
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
講演番号: 11aSN-11
2012 年秋季物理学会 @ 京都産業大学2012 年 9 月 11 日
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
KAGRA 干渉計の概要主干渉計だけで 11 枚のミラーで構成される複雑な干渉計
KAGRA 干渉計
3km 共振器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。
補助ロックシステム概要
ITM ETMBSPR3
PR2
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
I TM 0.2 0.1
ETM (* ) 0.2 0.1
* Transmission of ETM must be smaller than ITM
PRM
Mirror Spec. for 532 nm laser
Finesse = 10
Green Laser
wavelength : 532 nm
ITM ETMBSPR3
PR2
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
I TM 0.2 0.1
ETM (* ) 0.2 0.1
* Transmission of ETM must be smaller than ITM
PRM
Mirror Spec. for 532 nm laser
Finesse = 10
Green Laser
wavelength : 532 nm
532 nm 波長に対して、共振器線幅が 27 nm
なので、ロックが容易となる。
3 km 共振器
ITM ETMBSPR3
PR2PRM
Finesse = 10
Green Laser
wavelength : 532 nm
Main Laser
wavelength : 1064 nm
Finesse = 1500
補助ロックシステム概要
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 !!!
補助ロックシステム:概 念 設 計
Before switchigGreen PDH lockingto IR PDH locking,the offset frequencyis swept to findresonant point ofthe arm cavityfor IR beam.
BeamSplitter
ServoFilterfor PLL
offset
freq.phasecomparator
PD forPLL
InnolightPROMETHEUS
Pre-Stabilized
Laser
Arm CavityL=3000m
I nputTestMass
EndTestMass
IR=1064nm
Ctrloffsetfreq.
Aso configuration for LCGT green locking 2012-06-01
Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA
PR2or
SR2
PZTThermal
PR3or
SR3
I R=1064nm
Dump
from PSL
ResonantEOM
PRorSR
周波数安定化されたメインレーザー
光ファイバー伝送
補助ロックシステム:概 念 設 計
Pre-Stabilized
Laser
Arm CavityL=3000m
I nputTestMass
EndTestMass
IR=1064nm
Aso configuration for LCGT green locking 2012-06-01
Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA
PR2or
SR2
PR3or
SR3
ResonantEOM
PRorSR
補助ロックシステム:概 念 設 計
Pre-Stabilized
Laser
Arm CavityL=3000m
EndTestMass
IR=1064nm
Aso configuration for LCGT green locking 2012-06-01
Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA
PR2or
SR2
ResonantEOM
補助ロックシステム:詳 細 設 計
I R Error
fI R
fIR
fPSL
fIR FR
foffset
Shot PLL
SHGinducednoise
VCOfreq.noise
ShotGrPDH
fCAV FR
= Seis
ShotIR PDH
Elec. PLL
phasecomparator
gain
phasecomparator
pendulum
num(s)den(s)
noiseinjectionpoint3
noiseinjectionpoint2
noiseinjectionpoint1
noiseinjection
point
inverted_pend
w_ IP*w_ IP
den(s)
feedbackpointof PLL
feedbackpointof GR
feedbackpoint
of f_cav
f->phi 3
2*pis
f->phi 2
2*pis
f->phi 1
2*pi
add 1
SW_THR
SHG
PDH_IR
PDH_GRIR->GR
Hz->m
F_THR
zeros(s)
s2
F_PZT
zeros(s)
s2
F_MASS
zeros(s)poles(s)
F_GR1
zeros(s)poles(s)
F_GR
zeros(s)poles(s)
Demod_GRCavity Pole
wCav
(s+wCav)
Beamcombiber
A_VCO (V->Hz)
A_THR
A_PZT
A_MASS
num(s)den(s)
A_AOM
11
10
9
8 7
6
5
4
3 2
1
-K-
-K-
2
2
-K-
-K-
-K-
-K-
-K-
10
9
87
6
5 4
3
2
1
s
Shot PLL
noisesum
trans.noise
11
制御フィルタ
各種雑音
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 10410-20
10-18
10-16
10-14
10-12
10-10
10-8
Frequency (Hz)
Displacement noises at IR Error
Shot PLLElec. PLLfIR FR
foffset
SHGSeisShot GrVCOShot IRtrans. noise
trans. noise is assumedto be 1 Hz/sqrt(Hz)
m /
sqrt
(Hz)
Frequency (Hz)
補助ロックシステム制御後の共振器長揺らぎ周波数安定化メインレーザーの周波数揺らぎ
+光ファイバー伝送により生じる周波数揺らぎ
補助ロックシステム:概 念 設 計
Before switchigGreen PDH lockingto IR PDH locking,the offset frequencyis swept to findresonant point ofthe arm cavityfor IR beam.
BeamSplitter
ServoFilterfor PLL
offset
freq.phasecomparator
PD forPLL
InnolightPROMETHEUS
Pre-Stabilized
Laser
Arm CavityL=3000m
I nputTestMass
EndTestMass
IR=1064nm
Ctrloffsetfreq.
Aso configuration for LCGT green locking 2012-06-01
Figure 1: Green Lock configuration for KAGRA
PR2or
SR2
PZTThermal
PR3or
SR3
I R=1064nm
Dump
from PSL
ResonantEOM
PRorSR
周波数安定化されたメインレーザー
光ファイバー伝送
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 10410-20
10-18
10-16
10-14
10-12
10-10
10-8
Frequency (Hz)
Displacement noises at IR Error
Shot PLLElec. PLLfIR FR
foffset
SHGSeisShot GrVCOShot IRtrans. noise
32 pm RMS
trans. noise is assumedto be 1 Hz/sqrt(Hz)
m /
sqrt
(Hz)
RMS32 pm
Frequency (Hz)
累積積分揺らぎ
補助ロックシステム制御後の共振器長揺らぎ
共振器揺らぎスペクトラム(総和)
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。
1e-3
0.01
0.1
1
10
0.1 1 10 100 1k 10k
f (Hz)
Requirement for Reference Cavity
2e-2
周波数安定化Reference Cavity への要求値
1 Hz/sqrt(Hz)
光ファイバー伝送で生じる周波数揺らぎ
Reference: LIGO-T0900376
1 Hz/sqrt(Hz)
Frequency [Hz]
w/o phase correctionw/ phase correctionmeasured system noise
1 10 100