Sapphire for KAGRA

2012/7/7東京大学大学院工学系研究科附属光量子科学研究センター

三尾典克

Laser MC1

MC2

MC3 PRM PR2

PR3BS

SR3

SR2

SRM

ITMX

ITMY

ETMX

ETMY

MT1

MT2

f37cm

f10cm

Core optics of KAGRA

Mirrors for Main cavitiesInitial: Silica

Final: Sapphire

2

KAGRA は、鏡を冷却するため、サファイアを鏡の基材として用いる

大型で良質の単結晶サファイアが必要

低温鏡の開発

• 温度を下げると物質の性質が変わる。• 常温（ 300K ）で使用される鏡の材料

（合成石英）が利用できない。• 光学的に透明な単結晶が望ましい。

酸化アルミニウム（ Al2O3)

直径 25 ㎝、厚さ 10 ㎝、質量 20kg の単結晶

結晶の光学特性（複屈折）の揺らぎ

　　　　　サファイア　　　　

極限的な材料開発が必要3

ただし a 軸結晶

3

Requirements for Sapphire

Sapphire• C-axis mirrors (f25cm x t15cm) が必要 .

– 現状で直径 22cm 、厚さ 15cm が最大• 吸収係数 : < 20 ppm/cm

– 現状では 50-100 ppm/cm?– 常温干渉計では合成石英を用いるが、吸収係

数は 1ppm/cm 以下になっている

4

結晶の評価を行うため、吸収係数の測定装置を立ち上げた

微小吸収係数の測定

• 微小光学吸収– 吸収した光による温度変化を測定

• 温度計を用いる• 温度変化による屈折率変化を測定

– 光路長変化=> 干渉計

– レーザービームの偏向=> 光熱偏向法

• 熱収縮による変化– 音波の発生

=> 光音響測定法

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採用した装置を開発

光熱偏向法

6

(2005 ）AB29

Z = 10 mm

Z = 50 mm

Z = 20 mm

Z = 30 mm

Z = 40 mm

5

Y

X0

C-axis : f 100 mm x t: 60 mm

Z=10mm, 54,2 ppm/cm

Z=20mm, 46.1 ppm/cm

Z=30mm, 47.3 ppm/cm

Z=40mm, 45.5 ppm/cm

Z=50mm, 53.4 ppm/cm

Z=30mm

1064nm

4Q

absorption measured at this point where the 2 beams meet

Lock-in AmplifierLock-in Amplifier

PZT

PD

Mirror

Sample

Laserl ： 1064nmPower ： 10W

120Hz

Chopper

BS(R=98%)

BPF

PZT driver

LPF

Filter

15kHz

Chopped light is incident on a sample.

Drak fringeAbsorbed light power

Sample temperature change

Refraction Index, length chagneOptical path length change

干渉計＠東大

Signal is lock-in detected.

7

干渉計の概略

Laser light

8

BS

Sample

Sapphire sample

9

C-axis rod (diameter: 10mm, length: 40mm)

Results of Sapphire

10

80ppm/cm 87ppm/cm

Measurement in last year Measurement in this year

同じサンプルで測定結果は再現されている。

校正の問題が残っているので絶対値の不確かさの評価が不十分

Sapphire I

comparison between the 2 ways of measuring the volume absorption along the sample "I":blue : one way

green : the other way (inverted values)

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

-10,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

X platine (mm)

abso

rpti

on

à 1

064

nm

(p

pm

/cm

)

LMA で、同時に作成したサンプルの測定を行った＝＞ほぼ一致している

AA149 48 47

AC150 229 138 682 687

P401 34 32 65 67

Name Absorption [ppm/cm]

10 Samples from CSI have been measured

Sapphire: Preliminary results

• AA149 と P401 は小さな吸収係数を実現した。

• AC150 はとても大きな値を示した？• P401 場所により 2 倍違う？• この結果は製造者である CS に連絡した。 12

問題点

• 現状 製造者が CSI に限られている。大きさの制限がある。吸収係数の値も不十分。

• 今後1. 大きな C-axis 鏡の実現 (d:25cm x t:15cm) 　：中国

との連携。2. 品質の改善：吸収の原因が不明。3. 大型結晶による鏡面研磨の性能評価： Zygo がテス

ト研磨を行っている。4. 物性的な側面から掘り下げる必要があるかもしれな

い。

13

ご指導・ご協力をお願いいたします。ありがとうございました。

14

1515

Modeling of the signal

Heat Equation Intensity distribution of incident light

TPt

Tc 2

22

2i

20 2

expe2

),( yxaπa

ItP tωar

Temperature change in the sample

2

0222

i20 2

expe2

i a

Iyx

aa

I

cT

a

t

a

a

Change of optical path length Tn

T

nlx

1d

d22

Change of Index of refraction Thermal expansion

Beam width>>Thermal diffusion length

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Quadrature phase

Numerical simulation date are compared to the experimental ones.

1616

Test Sample: BK7

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Calculated Temperature Distribution

Laser beam: diameter: 0.1 ㎜

0.6mm

0.6mm

Temperature changeMax: 0.01℃

Length:40mm, Diameter: 20mm

End surface: AR coating

Axis

Radial

BK7: Standard glass for optics that has rather large optical absorption (10-3-10-4 /cm)

• Two results with different lengths are consistent.

• Results– No sample ： -2 pm/W– BK7(10mm): 80 pm/W– BK7(40mm): 284 pm/W

• Optical absorption10mm: 2230 ppm/cm40mm: 2300 ppm/cm

No sample

10mm

40mm

Results of BK7

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Calibration

Comparison with another method• A thermistor is attached on a lateral surface of the BK7

sample in order to measure the temperature change of the sample.

• The difference between the gradient of the temperature change is almost independent of the boundary condition.

18Optical Absorption: 1600 ppm/cm

The experimental data and the numerical simulation are consistent.

On

OffOn

Off

What causes this discrepancy?