DECIGO 用用用用用用用用用用 電電電電電電電電電電電 電電 電 4thDECIGO-WG 06/05/11@ 用用用用用 � � ・ 電電 ・ 電電電電電電 ・ 電電電電電電電電電電 ・ 電電電
Jan 14, 2016
DECIGO 用光源と周波数安定化
電気通信大学レーザー研 武者 満
4thDECIGO-WG 06/05/11@ 国立天文台
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・ 光源・ 周波数安定化・ 宇宙空間でのレーザー・ まとめ
〜 DECIGO 用光源開発〜
△ 出力 10W
○ 波長 532nm 、単一縦横、直線偏光
▲ 周波数安定度 1Hz/√Hz@1Hz
○ 強度雑音 10-8 /√Hz@1Hz
短波長ハイパワー高安定光源の開発
要求値
● 研究項目
?宇宙空間動作 小型、高効率
耐宇宙線
機械的安定性
無重力下動作
〜
〜光源〜
現状: 20W 励起で 12W 出力 ( 単一縦横モード )
主レーザーを fiber-DFB にして全ファイバー化
現行 最終形
NPRO を主レーザーとした Yb-fiber MOPA+PPMgOLN● 基本波 高冷却効率 高効率 高ビーム品質
今後: 15W 以上の出力 機械的安定性向上と小型化
サイズ 400x400 のブレッドボードに載せる (励起用 LD を除く )
〜
〜波長変換〜
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 121064nm Power (W)
Theory 2.62%/W
電通大 白川氏
● PPMgOLN を用いた高効率波長変換理論的には変換効率 η∝ 入力パワー (L=10mm で 35%@12W)
● L=20mm の結晶では 5W 以上実現
( 狭線幅なので位相整合可能 )
課題 実際の出力は理論値より低い ( 熱レンズ等 )
破壊閾値 O.K.
紫外線再吸収等で5W 以上は困難
コヒーレント加算
〜
〜主レーザー〜主レーザーをファイバレーザ -> 全ファイバ化で 機械的安定性
屈折率周期構造
/4 shift
/2 周期
fiber-DFB laser
現在までの結果280W
〜
BBO Nd:YAG2nd Q-sw lasercylindricallensephase-maskphoto-sensitive fiber
〜周波数安定化〜要求値 1 Hz/√Hz@1Hz まだ達成されていない値
宇宙空間での動作
●free-run での周波数雑音 & 制御利得
● 周波数基準 ・ F.P. 共振器
・分子飽和吸収
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
PSD(Hz/
Å„Hz)
frequency[Hz]
Laser(free-run)
I2
Cavity の熱雑音限界
cavity
〜
〜 F.P. 共振器〜
double-pendulum suspension
eddy-current dumping
(ULE spacer)
vacuum chamber
RTVIn-foilAlglass diskL=50 É”=12.7É”=52 t=10
M.Notcuff,Opt.lett.30(2005)1815
2 段振り子懸架
20Hz/√Hz@1Hz
高フィネス、防震、断熱が必要
2Hz/√Hz@1Hz
● 宇宙空間での動作 無重力下での保持
打ち上げ時の振動
衛星本体の振動
機械的安定性
〜
20Hz/√[email protected]
V.Leonhardt&J.Camp LISA WG 2005/12/5M.Musha Opt.Comun180(2000)166
垂直保持 熱シールド
10-1
101101
101
drag-free
〜分子の吸収線による安定化〜沃素の飽和吸収 I2 R(56) 32-0 @532nm
=0.5 MHz 、 S/N =120@10kHz
〜
( 光周波数標準として認められている )
● 理論的雑音限界 -- 信号の S/N( ショット雑音 ) と自然幅
120cm のセルで 25Hz/√Hz@1Hz(10cm セルの安定度限界 )
・ NIST
・ LISA 30 Hz/√Hz@1Hz
modulation-transfer
V.Leonhardt&J.Camp LISA WG 2005/12/5
〜沃素安定化光源の安定度向上〜
共振器を用いた場合
L=50 cm、 F=35 (FSR=600MHz, f=17 MHz)
入射 power を下げるため shot-noise が上がる吸収長は増えるので信号強度は上がる
€
FS /N = 22F
π増強
2.5 Hz/√Hz
〜
● 信号の S/N を上げる・ショット雑音の低減 ・光路長の増大
● 細い吸収線幅 ・狭い自然幅
・圧力拡がり
・相互作用長拡がり
・パワー拡がり
○ 理論的雑音限界 -- 信号の S/N( ショット雑音 ) と自然幅
€
S /N = ηB2e
Psig
Pback
€
ηB2eα 0L P=
€
δf =Δν
ν (S /N)
1
J0(β )J1(β )
飽和強度で決まる
吸収長に比例
〜吸収長増加〜
● 共振器を用いた信号増強
●multi-pass ・制御不要 ・アラインメント 干渉
frequency dither locking
NICE-OHMS
Ring cavity +Modulation transfer
機械的安定度
〜
変調周波数が低い雑音が混入
変調が多い
長期安定度が悪化するので試されていない共振器安定度の影響
〜細い吸収線〜
光源を Yb:YAG にする
=1031 nm I2:P(61) 43-0 515 nm
F=70, L=50 cm の共振器で 0.5 Hz/√Hz@1Hz
Yb:YAG の NPRO+fiber-MOPAM.Hildebrandt et.al MB6 Proc. of ASSP 2006
線幅が 4 倍以上狭い
〜
INNOLIGHT
〜宇宙動作の光源〜宇宙研 水野先生
現在使われているレーザー (range finder, inter-sat. communication)
(LIDAR)
・ LD
・ Q-sw Nd:YAG
● 宇宙線 回路等は 1 発 ( 濃度 - (打ち上げ時 ) 光学素子は積分 ( 周回軌道に依存 } LD 損傷無い
ファイバー browning ジャケットの金コート
PPMgOLN 問題無い (NASA)
電気光学素子等 - 真空差動時に消光比の悪化
電荷 --50V 以上は注意
Nd:YAG 結晶 color center を防ぐために Cr を共添加
Alignment freeに
〜
10nz, 12mJ, 1Hz
wedge
retro-prism
〜宇宙動作時の注意〜
○ 可動システムを使わない (release 等 )
○2 台準備 載せ替え用 打ち上げ後は simulator として
工作委託 NEC 東芝 space system (NTS) LD
NEC 誘導光電 (LIDAR)
被曝試験 高崎原研
○ アラインメント崩れに強いシステムcats eye等
〜
○ 廃熱は伝導 (heat pipe 等は使わない )
○ 温度変化に注意 ( 保存時 - 動作時 )
〜まとめ〜〜
○ 第二高調波発生
○ 直接励起法に変える
○F.P. 共振器を使った安定化
2 段懸架、真空 + 熱シールド-> 垂直懸架
○ 共振器増強型 I2 飽和吸収を用いた短期安定化
今後の研究
周波数安定化共振器、分子とも安定度到達の可能性はある
共振器 : 環境等の影響大 - 衛星での動作は不可知
→ 分子吸収線の方が信頼性が高い