音響光学素子を使った衛星補足システムの基礎開発
武者研 赤見恵2017 年 3 月 10 日

1 研究背景ムを考案した。この方法では、相手の衛星に周波数情報を用いて、夾角 60°のラインに対し巨大な質量変化に伴って生じる空間の歪みてどの程度外れているかを伝えることができが波として伝搬する物理現象である重力波があるシステムになる。またそれに加え、小型化軽る。この重力波を検出する計画として日本で量化、周波数による高精度な位置決定も見込めは DECIGO(DEci-herz Interferometer Grav-ると考えている。

itational wave Observatory ) 計画が進んでいる。この計画では 3 台の衛星を宇宙空間に飛ばし、それぞれが一辺 1000 km の正三角形の頂点となるように編隊飛行させる。各衛星間でマイケルソン干渉計を構築することで重力波の検出を行う (図)。ここで、重力波を検出するためのポイントの 1 つとして、衛星間の距離が一定になることが挙げられる。したがって、そのための衛星間の補足システムが要求される。本研究では、DECIGO に要求される衛星

図 1: DECIGO で要求される衛星補足システ
ム

間補足システムの基礎開発を行った。

2 DECIGO に要求される衛星間補足システム

3 音響光学素子を使った衛星間補足システム

衛星間補足システムは、光通信衛星 OICETS

音響光学素子からは素子に印加される RFと ALTEMIS による衛星間光通信実験によっ信号の周波数分だけシフトした 1 次回折光とて確立された。この実験での衛星間補足シスそのままの周波数である 0 次光が出射される。

テムは、レーザーと CCD を使った撮像によ一次光の回折角 θ は式 (3.1) で示すように印加る補足システムである。一方の衛星からレーされる超音波の周波数に比例する。

ザーを CCD で観測し、レーザーの来た方向に受光部中心出射部を向きを変えることで相λ0 fm
2V

手の衛星を補足するシステムである。しかし、

λ0 :入射光の波長

DECIGO で要求される補足システムはこれとfm :超音波の周波数 V :超音波速度は大きくことなる。DECIGO では、衛星上で重力波検出用レーザーを夾角 60°のラインに固定して出射するため、相手の衛星をこの夾角 60°のライン上にのせるシステムが要求される。したがって、新しく音響光学素子を使った、レーザーと周波数を用いた衛星補足システ

θ = sin−1(3.1)

故に、超音波の周波数を掃引することによって、1 次光を掃引することができる。これより、衛星が 1 次光を受光しその光から周波数情報を得れば、そこから角度情報、位置情報を得ることができる。しかし、光の周波数を直接検出することはできない。そこで、図のように、

0 次光を大きく広げ、1 次光と 0 次光を同時にうになる。

θall = λ ·受光することでビート信号として周波数情報を得ることができる。

∆fmV(4.3)式 (4.2) と式 (4.3) より, 全分解点 N は以下のようになる。

N = ∆fmDV(4.4)

これより、音響光学素子を用いたレーザー掃引では、アパーチャーの大きさによって光学的な分解能が決定されてしまうことがわかる。
図 2: DECIGO で要求される衛星補足システ

つまり、音響光学素子によるレーザースキャン

ムの分解能は、アパーチャーによってリミットされてしまう。既存の製品でも、良くて 1000 プロット程度が限界であるのが現状である。

4 音響光学素子の特性

4.3 空間分解能向上システム
4.2 節で記述したように、音響光学素子を4.1 回折効率音響光学素子の回折効率 (入射光に対する 1使ったレーザー掃引では光学的空間分解能に次回折光の割合) は印可する RF パワーによっリミットがかかってしまう。ここで、空間分解て大きく作用される。印可する RF パワーが能をさらに向上させるべく周波数を用いた空大きくなるにつれて線形的に回折効率は大き間分解能向上システムを考案した。

くなり、次第に飽和し回折効率は一定の値をとシステムの概略図を図 3 に示した。ここでるという特性がある。この線形的に回折効率点線の様にレーザーを掃引すると考える。受が上がる特性を利用し強度変調器として用い光強度は赤線で示すように測定される。そこられることもある。また回折効率が最大をとで、受光強度に閾値を儲けることで、カウントるためには周波数は緑線の示すようにカウントされていRF パワーをある程度大きくする必要があるといえる。

く。これより、初めて周波数カウントできる

4.2 スキャン分解能

レーザー照射位置と最後に周波数カウントで音響光学素子による光学的スキャン分解能

きるレーザー照射位置は、レンズの中心に対しは音響光学素子のアパーチャーによる回折広がてそれぞれ対称関係にあると考えることがでりによってリミットされてしまう特徴がある。

きるため、最初と最後にカウントされる周波数

音響光学素子のアパーチャーの直径を D, コの平均を算出することによって、レーザーがレリメートされたレーザービームのビーム直径ンズ中心に照射された時にカウントできた周を d とした場合、音響光学素子から出射され波数を求めることができる。これが可能になるレーザービームの拡がり角 ∆ϕ は以下のよ

れば音響光学素子による光スキャン分解能のうに表される。この時、D = d であり最小のリミットによらず、カウントできる周波数の精拡がり角である。

度をあげることによって光スキャン分解能を向上させることができる。しかし、この方法でλ∆ϕ =D(4.1)

ある絶対条件がある。一次光が掃引に伴いパレーザーの全走査角度が θall で表された場合、分解される全数 N は以下のように表される。

N =θall Dθall=∆ϕλは、掃引される一次光のパワーが常に一定で(4.2)

ここで、式 3.1 より全走査角度 θall は以下のよ

ワーが変化してしまうと、レンズの中心に対称な強度分布を得ることができなくなり、精度が悪くなってしまう。したがって、スキャンされる 1 次光パワーが常に一定になるよな制御システムを構築する必要がある。

で囲まれている部分は AOM ドライバーである。今回は、周波数を 75MHz から 85 MHz の間で周波数掃引の可能な AOM ドライバーをDDS(Direct Digital Synthesizer) と Labviewベースの PC から作成した。DDS はチップとして AD9851 を用いて作成し、PC から周波数情報をデジタル出力する Labview アプリの作成を行った。

7 AOM からの出力結果作成した AOM ドライバーを用いて出力さ
図 3: 周波数を使った空間分解能向上システム

れた、1 次光パワーの結果を以下に示した。

5 基礎開発としての課題
本研究では、考案した音響光学素子を使った衛星間補足システムの基礎開発として、以下のことを検証すべく実験を行った。

1. 空間分解能どの程度の精度で位置決定することができるか。

図 5: 1 次光パワーの周波数依存性

2. 周波数カウントの感度
DECIGO 上で機能するために、1000 km印可する周波数の増加に伴い、線形的に 1 次光先で周波数カウントできるか。

パワーが減少していく結果が得られた。。この状態では、空間分解能向上システムが機能しないため１次光が一定になるように制御をかけ

6 実験セットアップる必要がある。

実験セットアップの概略を図に示す。

主8 1 次光パワーの制御
一次光パワーの制御として、今回は回折効率の RF パワー依存性を用いる。特定の RF 周波数を印加する際に、特定の RF パワーに制御することによって一次光パワーを制御できる。今回は電圧によって減衰率が変わる可変電圧アッテネータ (VVA) を用いた。DDS か
図 4: 実験セットアップの概要

ら出力される信号を VVA に通すことによって、RF パワーを変化させる。VVA に印加す光源として LD 励起モノリシック型 Nd:YAG

る電圧も、Labview ベースの PC から出力すレーザーを用いた。音響光学素子としては、る。この際、DDS から出力している周波数と音響光学変調子を用いた。

同期し、電圧出力を行うことで周波数と RF パ

今回の実験では、0 次光は広げず PBS を使っワーを同時制御することができる AOM ドラて 1 次光と 0 次光を同軸で受光した。赤点線

イバーを構築した。(図 6)

HOYA A-100

度の関係を図 8 に示した。

図 6: 1 次光パワー制御のための AOM ドライバー
図 8: 周波数カウント感度の推移
これより得られた制御結果は図 7 のようになった。

当然の様に、受光パワーの減少と共にビート信号のパワーは減少した。また、ビート信号パワー減少に従って、周波数カウント精度が徐々に悪くなっていく結果が得られた。
ここで、得られた結果より受光パワー 7.2 Wの時、得られる周波数のカウント精度は 100Hz であった。これより、受光部のレンズ半径を 1cm、出射光のビーム直径を 60cm とした
場合、1000 km 先で 7.2W を受光するために必要な出射パワーは 225 mW と算出された。
図 7: 1 次光パワー制御結果

制御後は 15% 以内に収まった。しかし、さらこれは、実現可能な数字であり、この部分ではシステムの実現は可能であるといえる。

10 まとめと展望に向上させる必要があると考える。また、どの本研究では DECIGO のための衛星間補足制御レベルまで必要かどうか、実際に空間分解システムを考案し、その基礎開発を行った。周

能向上システムを試行して検証するべきであ波数を使った空間分解能向上システムを機能る考えている。

させるために、AOM からの 1 次光パワーの9 周波数カウント感度の検証制御をおこなた。制御結果は、掃引周波数 75

MHz 85 MHz の間で 15% に収まった。また、

周波数カウントの感度は、カウントするビー

周波数カウント感度として、1000 km 先でカト信号のパワーと S/N 比によって決定される。

ウント精度 100 Hz を得るために必要な、出射ビート信号のパワーと S/N 比は、受光されるパワーを見積もった。その結果、必要な出射パパワーによって決定される。したがって、周波ワーは 225 mW

数カウント感度について、光アッテネータを用数字であり、この部分ではシステムは機能するいて検証した。1 次光と 0 次光をそれぞれ光りと言えるだろう。

アッテネータを用いて減衰させ、フォトディテ

今後の展望は、周波数カウント、位置決定によクターでの受光パワーを減衰させた。この時る空間分解能向上システムの評価を行いたい。の条件として 1 次光と 0 次光の受光パワーがまた、アパーチャの大きい AOD(音響光学偏常に等しくなるようにした。この時の、受光パ向子) を用いた実験を行いたい。

ワー、ビート信号のパワー、周波数カウント精となった。これは現実的な