重力波検出器 LCGT のための低損失ミラー開発
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重力波検出器 LCGT のための低損失ミラー開発
辰巳大輔 (国立天文台 ), 上田暁俊 (国立天文台 )2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
KAGRA とは?次世代重力波検出器で中性子連星合体に対して1年に1イベント以上の検出が期待される。
特徴:基線長 3 km地下(低地面振動環境)低温ミラー
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
KAGRA に必要な3種類のミラー
KAGRA に必要な3種類のミラー
Category 1室温、大気中直径10cm以下
Category 2室温、真空中直径10cm以上
Category 3低温、真空中直径10cm以上
レーザー光源 >180W
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
各ミラーでのパワーOpticalPower(kW)
Pre-MC 10= 200W x50
MC in/out
24= 150W x158
MC end
24= 150W x158
PRM, PR2 0.8
PR3 0.8
ITM 400
ETM 400
180W Laser
3km の共振器に400kW の光が蓄積され重力波(時空歪み)を検知する。
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
各ミラーでのパワー密度Intra-Cavity
Power(kW)
BeamRadius
(cm)
PowerDensity(kW/cm2)
Pre-MC 10= 200W x50 0.046 1500
MC in/out
24= 150W x158 0.25 118
MCend
24= 150W x158 0.44 39
PRM, PR2 0.8 0.40 1.6
PR3 0.8 3.65 0.02
ITM 400 3.51 10
ETM 400 4.00 8
パワー密度の点では「カテゴリー1」が一番シビア。
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
高パワー密度での問題点
ダメージ閾値 1000 kW/cm2
1500 kW/cm2
一般的な
高いダメージ閾値のミラーが必須!
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
高パワー密度での問題点
「熱吸収 10 ppm の場合」 熱変形 曲率半径 R = 33 m
熱レンズ効果 曲率半径 R = 1.3 m
1500 kW/cm2
設計ミラー曲率半径 0.3 m
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
熱変形・熱レンズ
PowerDensity(kW/cm2)
ThermalDistortion
ThermalLens
DesignedRoC
(meter)
Pre-MC 1500 1667 67 0.3
MC in/out 118 21200 847 flat
MCend 39 64100 2560 40
PRM, PR2 1.6 1562500 62500 304-2.76
PR3 0.02 125000000 5000000 24.574
熱吸収 0.2ppm
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
低損失ミラーの必要性(2)
ミラー表面での散乱 1 Watt
Cavity 内パワー 10 kW
「散乱量 100 ppm の場合」
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
ミラーへの要求値
高ダメージ閾値 >10 MW/cm2
熱吸収 <0.2ppm
散乱 <10ppm
超低損失、ハイパワー耐性をもつミラーの開発
世の中にない
カテゴリー1の
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
低損失ミラー 開発戦略
1. 散乱 <10ppm
2. 熱吸収 <0.2ppm
3. 高ダメージ閾値 >10 MW/cm2低散乱量をきちんと測定することが重要!
QWP
HWP
Laser PBS
P-pol.
lens(1)
f=150mm500mW
20mW
FaradayIsolator
lens(2)
f=???mm
Pinholespacial filterlens(3)
f=400mm
Acousto-OpticModulator
lens(4) f=500mm
IntegratingSphere
PhotoDiode
y-zstage
MirrorMount
Total Integrating ScatteringMeasurement Setup
A sample mirror is here.
散乱測定実験工夫1ピンホールフィルタ
工夫2光学スイッチャー
工夫3ビームダンパー
散乱測定実験
@国立天文台 三鷹キャンパス
散乱測定実験
低散乱ミラーへの道
1. 滑らかに研磨された基板
2. 誘電体多層膜をコート
3. 洗浄・汚染防止
滑らかに研磨された基板
どれくらい滑らか?Relationship betweenTotal Integrating Scatter (TIS) and micro-roughness (d)
4 TIS
2
= 1064 nm
総散乱量
総散乱量 = 1ppm = 0.85 Angstrom
相関距離
Non-coating Super-polishedsubstrate
Micro-roughness<0.75 Angstrom RMS
25 mm
25 m
m
ミラー中心の 10mm 角
平均値 1.5ppm
Maker Product# Refrectivity Angle RoC Scattering (ppm)1 Newport 10CM00SR.50T IBS FS >99.97% 0 flat 27 2012/2/9
2 Showa Optronics Co. LTD 2010 年購入 IBS ??? 99.998% 0 flat 27 2012/2/13
3 Advanced Thin Films CRD1064-1025-100 IBS ??? 99.999% 0 1m, concave 26 2012/2/12
4 Lattice Electro Optics BS-1064-Rs50-45-UF-2038 ??? FS 52% 45 flat 44 2012/2/15
4 CVI Melles Griot Y1S-1025-0 FS >99.99% 0 flat 5 6 7 8 9
10 CVI Melles Griot PR1-1064-99-IF-2037-C EB BK7 99% 0 flat w/ wedge 126 2012/2/10
11 CVI Melles Griot Y1-2037-45S EB BK7 >99.5% 45 flat 146 2012/2/18
13 14 15 ALTECHNA ??? BK7 99.80% 45 flat 133 2012/2/14
16 17 18 19 20 NEW FOCUS 5104 ??? Pyrex >99% 0-45 flat 279 2012/2/10
市販ミラーの散乱量
まとめ次世代重力波検出器 KAGRAのために
超低損失、ハイパワー耐性を持つミラーが必要。
1ppm レベルの低散乱量測定装置の立ち上げに成功!
国内数社のコーティングメーカーと共同開発中
End
Fundamentals
lensing lfor therma 2
ndeformatio lfor therma 2
21
2
2
2
P
Ps
R
Thermal lens which has a curvature radius of R is expected by the following equations.
Heating laser power density P/2
Deformation and lensing coefficient
6
7
100.52
100.22
The effect of thermal lensing is larger than that of thermal distortion.
lensing
distortion
Fused Silica
Sapphire
13
11
100.72
100.12
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
Pre Mode CleanerPre Mode Cleaner
Shape Bow tie
Beam Pass Air (in air tight case)
Round trip length 1.95 m
Reflectivity of in/out coupler 98%
Radius of Curvature of in/out 0.3 m
Free Spectrum Range 154 MHz
Finesse (intra power gain) 155 (50)
Cutoff frequency of the cavity 25 kHz
Beam radius at the waist 0.199 mm
Beam radius on the mirrors 0.460 mm
Material of spacer Supper invar or aluminum
Actuator PZT stage (DC-0.1 Hz) or Heater
Modulation frequency To be decided
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
Mode CleanerMode Cleaner
Shape Narrow triangle
Beam Pass in vacuum
Distance between in/out mirrors 0.5 m
Round trip length 53.296 m
Reflectivity of in/out mirror 99.37 %
Reflectivity of end mirror 99.99 %
Radius of Curvature of in/out flat
Radius of Curvature of end mirror 40 m
Mirror dimension Diameter 100 mm, thickness 30 mm
Wedge angle of AR side 2.5 degree
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
Mode CleanerMode Cleaner
Free Spectrum Range 5.625 MHz
Finesse (intra power gain) 500 (158)
Cutoff frequency of the cavity 5.625 kHz
Beam radius at the waist / in / out 2.53 mm
Beam radius on end mirrors 4.38 mm
Vibration isolator Type C
Actuator Coil magnet
Modulateion frequency To be decided
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
Arm CavityPre Mode Cleaner
Shape Linear
Beam Pass in vacuum
Round trip length 6000 m
Reflectivity of input mirror 99.6%
Radius of Curvature of input 1.68 km (0.008)
Reflectivity of end mirror 99.995 %
Radius of Curvature of end 1.87 km (0.009)
Free Spectrum Range 1.55 kHz
Finesse (intra power gain) 1550 (1000)
Beam radius on input mirror 35.064 mm
Beam radius on end mirror 39.983 mm
Vibration isolator Type A
Actuator Coil magnet or Electrostatic
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
産総研:計量標準総合センター
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
タイトル
<2 Angstrom
2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季 @龍谷大学、京都
高パワー密度での問題点
ダメージ閾値を超えると 破壊される。
熱変形
熱レンズ効果
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