2010 年度 TAMA 開発研究計画

国立天文台辰巳大輔

2010-06-16 @ ICRR, Univ. of Tokyo

TAMA RSE と LCGT の関連性

TAMA LCGT

RSE condition Broadband Narrowband(tuned) (detuned)

** enable to switch broadband

Length sensing 30 MHz (AM) 11 MHz (AM)75 MHz (PM) 45 MHz (PM)

Alignment WFS sensingcontrol for shot noise reduction

TAMA RSE では出来ないことo Radiation pressure による共振器不安定性への対処と技術実証o Alignment control による低周波感度悪化をおこさない対策と技術実証

• 実働人員増員の上、 TAMA で RSE のアライメント実験を行うが、それで 2010 年は (RSE ミラー導入で ) 精いっぱい。

• 制御の実態 ( 方法 ) は、 LCGT そのものではない。(TAMA 干渉計の geometry の制約により、違ったものにせざるを得ない。 )

• 一方 LCGT 最終案まで至ってない。( 特に LCGT での alignment sensing control については今年度、集中的に議論を進めているところである。 )

• 作業部会で、 LCGT 案を細部まで検討してもらい、その最終案をみて RSE の進め方（場所、方式など）を決定したい。

PLUS 2010 での答申

TAMA RSE のlength 制御信号取得

国立天文台、 Caltech

宮川　治辰巳大輔、新井宏二、苔山啓以子

TAMA Collaboration

Michelson interferometer (MI) Fabry-Perot MI (FPMI)

Power recycling (PRFPMI) Dual recycling (DR)

干渉計光学設定の発展

Fabry-Perot caivty を用い、腕で光を折り返し光路長をかせぐ

Bright Port 側の光を再び打ち返し、実効的な内部パワーを上げる

Dark Port 側の重力波シグナルを打ち返し増幅する(Signal Recycling)

ショットノイズを下げるため検出器側をダークに保つよう制御

RSE とは

• 干渉計の光学設定の一つで Resonant Sideband Extractionの略

• 水野潤氏によって考案された Signal Recycling の発展型• Dark port 側に鏡を追加し、腕キャビティー内でのパワー

を高く保ちつつ、重力波信号に対するフィネスを低くすることにより、帯域を確保する方法

• パワーリサイクリングとは独立な技術• Advanced LIGO 、 LCGT で採用される予定（多分

Advanced Virgo とかでも）

• 数 km クラスの長基線長干渉計ではフィネスをあげることに限界がある（ ex. LIGO ～ 100 ）

• なぜなら、腕のフィネスを上げても DC での shotonoise limited sensitivityが上がるのみで、地面振動などに制限され干渉計の感度は向上しない

• フィネスを上げる技術はあるのに、上げれないという状況はもったいない

RSE による感度向上の原理

DC のショットノイズがよくなる

Frequency

Shot noise

LowFinesse

HighFinesse

Se

nsi

tivi

ty

LowLowFinesseFinesse

• パワーに対するフィネスと、重力波信号に対するのフィネスを分けて考えよう！• そのためにはもう一枚鏡をダークポート側に置いてやり、その鏡とフロントミラーでできる共振

器（ SEC ）の反射率が、フロントミラー単体の反射率よりも低くになるように制御すれば良い• その結果、長基線長干渉計でも腕キャビティーのフィネスを上げ、パワーに対する高いフィネス

を保ちつつ、 Dark port 側に漏れてくる重力波信号のフィネスを下げる（ RSE ）ことができる• これは腕キャビティーで resonant した重力波によってできる sideband を、 extract (引き出す ) す

るということであり、その結果、重力波に対するバンド幅を増やすことができる

RSE による感度向上の原理

重力波信号

SEM

Signal extractioncavity (SEC)

Shot noise

SignalExtractionMirror

HighFinesse

FrequencySe

nsi

tivi

ty

• さらに、 SRM のミクロな位置を変えることにより（ detuning ）、重力波に対する周波数応答を複雑に変えることができる

Detuning

Detuning

Shot noise

Detuning

Frequency

Se

nsi

tivi

ty

The way to full RSE

Carrier33MHz166MHz

Detuned dualrecycled Michelson

5 DOF lock with offset in CARM RSE

ITMy

ITMxBSPRM

SRM

ETMx

ETMy ReducingCARM offset

Geometry•NM,EM は SAS インストール済みなた

め、移動不可能 ( 最大で数 mm)•アシンメトリーは鏡厚等も考慮して

2.8679 - 2.3213 = 0.5466 [m]で固定•PRM は真空槽内で動かせる•SRM は真空槽自身を移動できる•ピックオフが両 BS-NM間に入っている

各種パラメータ

• 干渉計への入射パワー : 2W

• PD への最大入射パワー : 10mW for L+, L-, l+, l-, ls , 40mW for L-

• 腕キャビティー Finesse : 516

• PRM 反射率 : 0.85

• SRM 反射率 : 0.48085

• パワーリサイクリングゲイン : 14.2

• 量子効率 : 0.93

• 変調は f1 、 f2 と 2 つ使い、それぞれ Mach-Zehnder で足し合わせる• 実効変調指数 : 0.175 (EOM 単体では 0.35 、 Mach-Zehnder のため効率低

下 )

• f1は 7 次まで、 f2は 2 次まで計算• 変調周波数はモードクリーナーの Free Spectral Range である 15.235MHz

の倍数

RF変調周波数の選択

• 変調周波数は MC の FSR である 15.235MHz の倍数• Michelson のアシンメトリーに厳しい制限あり• Michelson を透過するサイドバンドはその 9倍の 135MHz付近• Michelson を全透過するための 2 つ目の変調周波数 f2 が WFS （ wave

front sensor ）の QPD に対して高くなりすぎる

• DDM （ double demodulation ）は分離比は良いが、一般的に shotnoise limit sensitivity が悪い、 AM-PM の組み合わせになる

• SDM （ single demodulation ）は分離比は悪いが、一般的に shotnoise limit sensitivity が良い、 PM-PM の組み合わせになる

• THD （ 3rd harmonics demodulation ）なども使えないか ?

RF変調周波数の選択• 15MHz-AM, 135MHz-PM, DDM (LCGT に一番近い、 WFS全然ダメ )• 15MHz-AM, 75MHz-PM, DDM (宗宮法をより一般化、 WFS まだダメ )• 15MHz-AM, 45MHz-PM, DDM (WFS なんとか OK 、エラーに offset 大 )• 15MHz-PM, 75MHz-PM, SDM, THD by 45MHz (DDM使えず、 THDだと L+ , L- から

の混入大、 WFSOK 、現 TAMA の回路が使える )

• 15MHz-PM, (30MHz-AM), 75MHz-PM, DDM by 75MHz and 30MHz, SDM (DDM でもL+ , L- からの混入大、 WFS:OK 、現 TAMA の回路が使える )

• 15MHz-PM, (30MHz-AM), 75MHz-PM, diff. demod. by 45MHz, SDM (L+ , L- からの混入大、 WFS:OK 、現 TAMA の回路が使える )

• 15MHz-PM, (30MHz-AM), 75MHz-PM, sum. demod. by 105MHz, SDM ( 分離比良い、 WFS:OK 、現 TAMA の回路が使える )

計算は Optickle( 宮川 ) で実行、 FINESSE( 苔山 ) にておかしな所がないか確認

Length 制御のまとめ

• 変調 :15MHz-PM, 75MMHz-PM

• 中央部の DRMI 部分のロックには 30MHz の AM を

利用した、 30MHz+75MHz の Summation Demodulation を使う (Acquisition mode)

• これまでの 15MHz の回路がそのまま使用できる

• ロック後にいくつかの自由度は Single demodulation に切替 (Detection mode)

• 各自由度の coupling を考えると、 Feed forward などの技術が必要

• 真の Quantum noise に達するには DC readout も要検討