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変位雑音フリー重力波検出器の開発. 苔山 圭以子 お茶の水女子大学大学院 2007 年 11 月 17 日 , 高エネルギー天体現象と重力波研究会. 概要. イントロダクション DFI の原理 DFI の光学設計 3 つの原理検証実験 まとめと今後の計画.
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変位雑音フリー重力波検出器の開発 苔山 圭以子 お茶の水女子大学大学院 2007年11月17日, 高エネルギー天体現象と重力波研究会
概要 • イントロダクション • DFIの原理 • DFIの光学設計 • 3つの原理検証実験 • まとめと今後の計画 DFI (Displacement- and frequency-noise free interferometer) は、複数の干渉計を組み合わせることによって、光学要素の変位による雑音にまったく感度がない新しい光学設計の重力波検出器である。本講演では、国立天文台で行われているDFIテーブルトップ実験について解説する。 もくじ Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
イントロダクション • S.Kawamura & Y.Chen, 2004 Phys. Rev. Lett.93, 211103 Y.Chen & S.Kawamura, 2006 Phys. Rev. Lett.96, 231102 の論文によって提案された、新しいタイプのレーザー干渉計型重力波 検出器 • 光学要素の変位をまったく感じない重力波検出器 • 地面振動・熱雑音・輻射圧雑音を感じないために 原理的にはショットノイズだけで感度をリミットされる • 地上、宇宙重力波検出器どちらにも適用できる • Y. Chen, et al., 2006 Phys. Rev. Lett.97 151103で 提案された、４台のマッハツェンダー干渉計を組み合わせた光学設計 • DFIの一部をとりだし、原理検証実験を行った Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
DFIの原理 変位雑音と重力波の違い Magnitude f f • レーザー干渉計は、ミラーの変位と重力波に対して違う応答をする • 複数の干渉計の出力を、光学要素の変位成分がキャンセルするように信号を引き算する DFI信号 例 マイケルソン干渉計の ミラー変位への応答 マイケルソン干渉計の 重力波への応答 重力波信号は残したまま、 変位雑音だけをキャンセルできる 低周波では変位雑音による位相変化と 重力波による影響が区別できないため、 重力波信号もキャンセルされてしまう。 重力波は積分効果として レーザーに位相変化を与えるので、 重力波の波長とレーザー光路が 同等な長さのとき、位相変化が キャンセルされる Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
本実験におけるDFIの光学設計 DFIは、 4つのマッハツェンダー干渉計(MZI) からなる 正八面体 MZI3 MZI1 Bidirectional MZI MZI4 4つの信号を、 変位雑音がキャンセルするように 演算する MZI2 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
本実験におけるDFIの光学設計 Bidirectional MZI : ミラー変位がキャンセルされる光学設計 ミラー変位があるとき MZI1=δL MZI2=δL MZI1-MZI2=0 レーザー ミラー フォトディテクター (PD) MZI1とMZI2は たがいに90度回転しているので、引き算後も重力波は消えない ビームスプリッターの変位は消えないので、 もう一組Bidirectional MZIを組み合わせる →３D光学設計 ビームスプリッター (BS) Y. Chen, et al., 2006 Phys. Rev. Lett.97 151103 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
原理検証実験 1. Bidirectional MZIの実験 • ミラー変位信号のキャンセルを確認した • 重力波シミュレート信号が残ることを確認した 2. BSを共有した２台のMZIの実験 • BS変位信号のキャンセルを確認した • 重力波シミュレート信号はなし 3. 実際にBSを振って変位を与える実験 • BS変位信号のキャンセルを確認した • 重力波シミュレート信号はなし 光学要素変位は、 EOMでシミュレート Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
1. Bidirectional MZI実験 現実 実験 重力波 光路の 中点 ミラー変位 EOM1 EOM2 引き算信号 引き算信号 引き算信号では、 ミラー変位信号キャンセル 重力波信号が生き残っている Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
1.実験セットアップ 中点 mid fringe コントロール 引き算器 引き算信号 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
1. 実験結果 ミラー変位信号キャンセル EOM1 Out2 Magnitude Out1 引き算信号 EOM1からOut1への伝達関数 EOM1からOut2への伝達関数 EOM1から引き算信号への伝達関数 Phase 最大で約40dBの キャンセルが達成された S. Sato, et al, 2007 Phys. Rev. Lett.98 141101 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
1. 実験結果 重力波信号 EOM2 Out2 Magnitude Out1 引き算信号 EOM2からOut1への伝達関数 EOM2からOut2への伝達関数 EOM2から引き算信号への伝達関数 Phase 引き算後も重力波信号が 残ることが確認された S. Sato, et al, 2007 Phys. Rev. Lett.98 141101 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
2. BS変位キャンセル実験 2台のMZIにおいて、BSの変位キャンセルを確認する実験 現実 実験 MZI1 MZI2 EOM Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
2. BS変位キャンセル実験 結果 最大50dBのキャンセル が達成された Magnitude EOMからOut1への伝達関数 EOMからOut2への伝達関数 EOMから引き算信号への伝達関数 EOMから引き算信号への伝達関数 Phase Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
3. BS変位キャンセル実験 BSからOut1 BSからOut2 BSから引き算 Magnitude BSからOut1 BSからOut2 BSから引き算 Phase Frequency [Hz] 実際にPZTでBSを動かし、 その信号がキャンセルされることを確かめた Out1 Out2 アクチュエート信号 引き算信号 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
今後の計画 まとめ • DFIのための原理検証実験を行った • Bidirectional MZIで、ミラー変位キャンセル • MZI2台で、BS変位キャンセル(EOM) • MZI２台で、BS変位キャンセル(アクチュエーター) • ４台のMZIを組み合わせた３D光学設計のDFIをつくる • DFI信号ではミラー、BS変位のキャンセルし、 重力波信号がいきのこっていることを確かめる • ミラー、BS変位はEOMで再現 • 重力波信号も複数のEOMを組み合わせ再現 Keiko Kokeyama @ 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
