宇宙重力波望遠鏡 DECIGO Pathfinder 用光源の開発
植田研究室 堀内慎也
1.はじめにはじめに2.BBM の作製

現在日本で進められている重力波検出計画

周波数安定化はヨウ素の吸収線を基準線との一つとして、宇宙空間で重力波検出器を建して用いその基準線に光源の周波数を合わせ設するDECIGO (DECi-hertz Interferometerることで行う。光源には半導体励起モノリシ

Gravitational Wave Observatory)計画が進めらック Yb:YAG レーザー（Yb:NPRO）2)を使い、れている。これは一辺 1000 kmの正三角形のそこから得られる波長 1030 nm の光を導波路レーザー干渉計で微小な空間変位を検出する型 PPMgOLN を用いて第 2 高調波を発生させ装置であり、この検出感度を実現するためにた。ピエゾ素子よりレーザー結晶に歪みを与高出力かつ高安定な光源が要求される。

えることで周波数掃引を行い、こうして得ら

DECIGO計画ではDECIGO Pathfinder計画

れる波長 515 nm の光をヨウ素セルに対し検出(DPF)とPre DECIGO計画の2回の前哨計画を光と励起光の 2 つに分けて同軸対向入射させ行い、本計画に向けて技術検証を積み重ねるた。励起光には電気光変調器（EOM）を用い予定である。我々のグループはこれらの計画て位相変調を加えて、モジュレーショントラの光源開発を行っている。レーザーに対するンスファー法により飽和吸収信号を取得した。

要求値は出力 10 W、波長 0.5 μmであり、周BBM のサイズは 400 mm×400 mm でヨウ素波数、強度安定度はDECIGOの検出帯域であるが入れられたガラスセルは対角線上に配置し、1 Hz においてそれぞれ 5×10-1 Hz/Hz1/2、1×セルを透過するパス数を 4 パスにすることで-81/2

10 / Hz である。

ヨウ素との作用長を増やした。ブレッドボー

DECIGO / DPF用光源には周波数安定化にドからの光軸の高さを出来る限り下げ、セルヨウ素分子の飽和吸収を周波数基準として用に直接光を入射するミラーは全て固定するたいている。従来は532nm帯の吸収を用いた安定め専用のマウントを作製し直接接着を行う事

化Nd:YAGレーザー(波長1064nm)が開発されで機械的安定性を向上させた。クランプフォているが、DECIGOの要求値を満たすためにはークを使わないミラーマウントを作製し、光安定度が足りない。そこで532nm帯に比べ吸収学系の省スペース化に対しても柔軟に対応し線幅の狭い515nm帯の吸収が使えるYb添加アライメントを行った。

YAGレーザー(Yb:NPRO)を光源に用いて、より高い周波数安定化を行っている。現在は衛星搭載化するため人工衛星に搭載するためのプロトタイプであるブレッドボードモデル(BBM)の開発を行っており、小型化、機械的安定性の向上させ、制御の自動化システムの構築を行っている。
Fig.1 周波数安定化光学系
周波数安定化光学系

1

ブレッドボードは 25 mm 間隔にネジ穴が施で、接着剤が伸縮し設置した位置から大きくされており、この間隔に対してもアライメン外れてしまうことが原因であった。この対処トを行うことができるが、より細かくアライとして治具を使って固定して接着剤を塗布しメントを行うため長さ 20 mm 程度の溝を取りた後にすぐに治具を取り外して次のミラーの付けネジで固定した。ブレッドボードの 1 つアライメントを行うのではなく、ミラーを接のネジ穴に対しても十分にミラーの位置を調着するために治具を 24 時間一つのミラーを押節できるように設計した。

さえつけ、治具を取り外してもアライメントが崩れないことを確認して一つずつミラーを接着した。

Fig.2 オプティクスマウント写真
オプティクスマウント写真

ヨウ素セル端面におけるミラーの固定はプ
リズムミラーを使用しその側面とマウントを接着しアライメントを行った。はじめに接着させない状態でミラーを配置し、光がヨウ素

Fig.4 プリズムミラーをプリズムミラーを固定する
固定する治具する治具の治具の様子セルを 4 パス通過できることを確認する。それが終わったらミラーを接着する。接着方法
は、マイクロメーターを取り付けた治具を用意し、Fig.4 の上面を抑えつけた。マイクロメーターによってこの抑えつける強度を適当に調整することで、抑えつける時に生じてしまう仰角の調整も行った。押さえつけが終わったら、その状態のまま側面に接着剤を塗布する。
Fig.5 マウントにマウントに接着させた
接着させたミラーさせたミラー45°

Fig.6 はミラーを固定させた様子である。こ10 mmの用に固定させてしまうと、これ以外のオプ
ミラー面

ティクスを使うことでしかアライメントを調10 mm整することができなくなるが、一度光を通過

10 mm

Fig.3 プリズムミラー

させると固定ミラーによってアライメントが接着剤を塗布した後も固定ミラーの向きが崩れるということは起きずに実験を行うこと変化してしまいアライメントを調整するためができた。主にアライメントが崩れる原因とにミラーを取り外して再び接着する操作を数してはブレッドボードまでの入射光学系にお回に渡って行った。これは接着剤が乾くことけるキネマティックミラーによるアライメン

2ト崩ればかりであり、これによって信号が取ところどころに弁別曲線が現れているが、得できないことは多々あった。ミラーの接着

信号全体が上下に大きく動いてしまっておりを済ませヨウ素セルに対し光を対向入射させこれによって周波数を安定化しても全体の揺た様子が Fig.7 である。

れによって数十秒で周波数ロックが外れてしまうという不安定動作が続いた。このため迷光の除去や EOM 変調の最適化を行うことでこの 0 V における揺れを小さくした。特にEOM の変調においては印加電圧を 9 V から10 V に変更するだけでこの揺れがおさまり、周波数安定化には十分な周波数弁別曲線を得ることができた。以下にその時に得られた。
弁別曲線とその弁別曲線を使い周波数をロックしたときの誤差信号のスペクトルを示す。
0.80.6

Fig.6 BBM 全体図
Signal voltage [V]0.4

信号取得のため個々の迷光を取り払い SN比の向上に努めた。迷光が発生する部分としては、ヨウ素セル入射のためのエキスパンダ
ー用レンズ、EOM、ヨウ素セル端面である。

0.2
0-0.2-0.4

これらの迷光を一つずつ取り除き、信号取得-0.6を行った。

-0.8

0.1

0.15

0.20.25

0.30.350.4

PZT applied voltage [V]3.実験結果
実験結果

Fig.8 弁別曲線 光学系の光学系の最適化後作製した BBM によって得られた弁別曲線と、それを使い周波数を安定化させたときの周波数雑音スペクトルを示す。
2Signal voltage [V]

1.5
10.5
0-0.5-1-1.5-2.5

Fig.9 ロック時ロック時の周波数スペクトル
周波数スペクトル-2-1.5-1-0.5

周波数弁別曲線の取得は、BBM内の迷光除

PZT applied voltage [V]去や電気周りの整理を行い0 Vにおける揺ら

Fig.7 弁別曲線 光学系の光学系の最適化以前

3ぎを抑え安定した弁別曲線を得ることができた。周波数弁別曲線の中心に周波数を掃引してピエゾ素子にフィードバックを行って周波数ロックを行った。Fig.9の赤線が誤差信号によって評価した周波数雑音スペクトルである。
周波数雑音は重力波の観測帯域である1 Hz帯で1 Hz/Hz1/2を達成することができた。また水色のグラフは弁別曲線のSN比より評価した周Fig.11 ファイバーBBM
写真ファイバー

波数雑音の下限である。誤差信号評価は弁別4.周波数自動周波数自動ロック周波数自動ロック

曲線の中心への追従度であり、最終的には水色の線で示された周波数安定度が下限となる。
1/2

周波数を自動でロックするためのシステムに

この場合でも概ね1 Hz帯で1 Hz/Hz を達成す付いても構築を行った。システム概要は Fig.12

ることができた。これにより定盤サイズの大に示した。

きさで行われていた光学系をBBMへ移行することができた。
この他さらなる機械的安定性を向上させるため作製した BBM をもとに光源からヨウ素ガラスセルまでをファイバー化した BBM の作製も行った。ファイバーで構築することにより光学系全体の搬送が用意になる。周波数

Fig.12 周波数自動ロックシステム
周波数自動ロックシステム概要
ロックシステム概要

雑音スペクトルの評価は誤差信号評価であり、使用した電子回路はルネサステクノロジ社

今後外部評価を行うときに持ち運びできるよから販売されている H8 マイコンである。マイうに光学系を構築した。作製は途中段階であコンで行うことは周波数掃引と弁別曲線の読るが、外形とその写真図について以下に示す。

み取り、周波数ロックを行うサーボ回路のゲインアップである。マイコンとサーボ回路はフォトカプラにより電気的に絶縁し、デジタルノイズを遮断した。周波数掃引からロックに至る過程は Fig.13 に示した。はじめにこのプロセスによる周波数ロックが確認できたら、順次複数の弁別曲線の傾きを比較することでより急峻な曲線を選択するように発展させる予定であり、今回は自動でロックがかかるまFig.10 ファイバーBBM
構成図
ファイバーでのプロセスを確認した。

Fig.13 周波数掃引プロセス
周波数掃引プロセス概要
プロセス概要4使用したマイコンは ADC、DAC が内蔵されておりそれぞれ分解能はマイコンの使用電圧5 V に対して 10 bit、8bit である。DAC については周波数の掃引を行うための出力として使用するが分解能が足りず、弁別曲線を通り越して掃引が行われてしまうため、マイコン内のデジタル端子を利用して bit 数を増やした。
回路は Fig.14 のようであり、図のように回路を作製し 4bit 増築した。これにより全 12bitで掃引を行った。以下にその回路とこれによFig.16 自動ロック
自動ロックにロックに至る過程って作られた掃引波形の様子を示す。

赤線は制御信号で掃引信号とロック時の制御の様子が表れる。青線は誤差信号で掃引が開始され約 15 秒で弁別曲線にたどり着いた。
するとマイコンは掃引を止め、以下 3 秒毎にアナログサーボ回路に線形 Gain、ラグ・リードフィルタ、完全積分の回路を動作させる信号を出力して低域での利得を増やし、周波数ロックを行っている。ラグ・リードフィルタ
は低域でのゲインを得つつ、ユニティーゲイン周波数での位相余裕を保つためのフィルタ回路である。以下にこの時の周波数雑音スペ

Fig.14 ラダー抵抗
ラダー抵抗による抵抗による bit 数増加回路
増加回路

クトルを示す。自動ロックにおいても誤差信号評価で 1 Hz 帯で 1 Hz/Hz1/2 を達成することができた。マイコンによる自動ロックでも十分な周波数安定化が可能であることを示すことができた。しかし手動ロック時には現れなかった 50 Hz やその倍波の様子が確認でき、今後は電気系統の改善を行う必要がある。

Fig.15 掃引波形
左:足足し合わせる前足し合わせ後わせる前 右:足わせ後

以下にこの波形を使い、自動で周波数を掃引し自動ロックが行われるまでの時系列について示す。

Fig.17 自動ロック
自動ロックによるロックによる周波数による周波数雑音
周波数雑音スペクトル
雑音スペクトル5周波数自動ロックの再現性は 8 割程度で、周波数ロックを行う必要がある。そのための誤作動としては周波数を掃引し弁別曲線が感プログラムの開発と実験を行う予定である。

知できても周波数ロックが行われず低域での雑音を抑圧できない場合がある。今後は再現

6.参考文献参考文献

性を高めるため回路の最適化を進める。

1.Seiji Kawamura, et al,“The Japanese spasegravitational antenna-DECIGO”Journal of

5.まとめとまとめと今後
まとめと今後の今後の展望

Physics: Conference Series 122 (2008)

本研究は宇宙重力波望遠鏡 DECIGO 計画の

2. P. Burdack, T. Fox, M. Bode1, and I. Freitag“1技術実証計画である DPF の光学系の作製を行

W of stable single-frequency output at 1.03 µm

ったものである。人工衛星搭載のため、そのfrom a novel, monolithic, non-planar Yb:YAGring

プロトタイプモデルである BBM の作製とそ

laser operating at room temperature” 15 Mayの評価を行った。これを使い DPF が要求する

2006 / Vol. 14, No. 10 / OPTICS EXPRESS 4363

周波数安定度 1 Hz/Hz1/2 を誤差信号評価から

3.中村真大“宇宙重力波望遠鏡 DECIGO の周見積もることができた。また作製した BBM を波数安定化光源の開発”電通大 2009修士論文

もとにさらなる機械的安定性向上に向けたファイバーでの BBM の作製を進めた。この他、

7.発表実績
発表実績

周波数自動ロックシステムの開発を行った。

(1)堀内慎也、中村真大、武者満、中川賢一、再現性はこれから改善の余地が残されている

植田憲一「DECIGO/DPF 用の周波数安定化光が周波数掃引からロックにいたるまで自動で源の開発（4）日本物理学会 第 65 回年次大会行うことができた。

21aBH-10（2010 年 3 月 21 日）

今後は誤差信号評価ではなく、周波数基準(2)堀内慎也、北村俊幸、武者満、中川賢一、との比較により安定度の評価が必要である。

植田憲一「DECIGO/DPF 用の周波数安定化光BBM を作製したことで光学系が搬送可能に源の開発（5）」日本物理学会 第 66 回年次大なり情報通信機構（NICT）のフェムト秒レー会 13pSH-4（2010 年 9 月 13 日）

ザー光コムとの比較実験を行い絶対周波数安(3)堀内慎也、北村俊幸、武者満、中川賢一、定度の評価を予定している。また BBM を使い

植田憲一「衛星搭載用安定化レーザーの開発」

周波数ロックができたことで BBM の次のフレーザー学会第 31 回年次大会 10pⅦ-6（2011ェーズであるエンジニアリングモデルに向け年 1 月 10 日）

た光学系の最適化を行う。

(4)堀内慎也、北村俊幸、武者満、中川賢一、

周波数自動ロックについても再現性を高め植田憲一「DECIGO/DPF 用の周波数安定化光るため回路の最適化を行いロックが外れるこ源の開発（5）」日本物理学会 第 66 回年次大とが無いようにシステム全体を再構築する必会 13pSH-4（2011 年 3 月 28 日）

要がある。この他、自動ロックは予め特定の周波数に対して行うことは想定しているが宇宙での安定化に対し冗長性を保つため、複数の弁別曲線をマイコンに取り込み弁別曲線の比較をしてより線幅の狭い弁別曲線に対して6