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2010 年度 TAMA 開発研究計画

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)

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2010 年度 TAMA 開発研究計画

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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 sensing control 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

  3. PLUS 2010 での答申 • 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。

  4. 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

  5. 干渉計光学設定の発展 Michelson interferometer (MI) Fabry-Perot MI (FPMI) Power recycling (PRFPMI) Dual recycling (DR) 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 Fabry-Perot caivtyを用い、腕で光を折り返し光路長をかせぐ Dark Port側の重力波シグナルを打ち返し増幅する(Signal Recycling) 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

  6. 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）

  7. 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 • 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 Low Finesse

  8. RSEによる感度向上の原理 • 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 重力波信号 Signal extraction cavity (SEC) SEM

  9. Detuning • 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

  10. Carrier 33MHz 166MHz The way to full RSE Detuned dual recycled Michelson RSE 5 DOF lock with offset in CARM ETMy Reducing CARM offset ITMy PRM ETMx ITMx BS SRM

  11. 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

  12. 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

  13. 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 harmonicsdemodulation）なども使えないか?

  14. 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

  15. 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

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