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