FM 分光法による飽和吸収信号の SN 比向上
武者研究室	  	  濱口	  太一2017 年 3 月 8 日
１	  研究背景

ム長や、地面振動による雑音感度限界	  2015 年にアメリカの研究グループが無くなるので、地上型のものとは感が初の重力波直接検出に成功したと度の異なる、低周波数領域 0.1~10Hz発表している。重力波は四重極変位のでの重力波検出が可能である。よって伝搬であるため、レーザーマイケルソ得られる科学的意義も多く、他の検出ン干渉計による観測が可能である。重器との補完性も高い。レーザー光源に力波は透過性がよく、相互作用をほとは高い周波数安定度と同時に強度安んど起こさないために、様々な情報を定度が必要となる。

保持している反面、検出が難しい。また地球から遠く離れた系で発生した

２	  FM 分光法と MT 分光法

重力波を観測するので、観測時には相	  本研究室で研究中であるヨウ素安対振幅が 10-21 オーダーとかなり微小定化レーザーを図１に示す。になる。よってレーザー光源には高い精度の周波数が必要とされる。前述のI2cell

アメリカでは直接検出に成功した地上型の重力波検出器「aLIGO」、日本でも地下トンネルを掘って外乱の影

PBS

F.R

λ/2
PBS

な重力波検出器が存在している。また次世代の重力波検出器として宇宙型

λ/2

200kHz

LIA

EOM

響を少なく、極低温で観測する「KAGURA」計画など、世界では様々

F.R

PD

servo PZTdriverPZT
AOM+80MHz

signalpomp
λ/2 λ/4SHGisolatarYDFA

PBS

ﬁberDFBlaser+1030nm

図１	  ヨウ素安定化レーザー

重力波検出器計画が複数の国で進められている。本研究室は日本の光源として波長 1030 nm の Fiber「DECIGO」計画にレーザー光源、衛DFB レーザーを使用。周波数基準は

星位置決定システムなどの開発で参ヨウ素の 515 nm の飽和吸収線を利用。

加している。

現在は図１のように変調周波数	  「DECIGO」では重力波検出を宇宙200kHz の Modulation Transferで行う。三基のドラッグフリー衛星をSpectroscopy(MT 分光法)によって飽打ち上げて精密編隊飛行によってマ和吸収信号、周波数弁別曲線（図２）イケルソン干渉計を構築するというを得ている。この周波数弁別曲線を参ものである。地上では制限されるアー照にして誤差信号を servo 回路を介して Fiber DFB レーザーにフィードバックして周波数安定化をしている。
MT 分光法ではまず、515nm の光を励

起光と信号光の２つにわけ、励起光を位相変調してヨウ素を封入したセルに対向に同軸で入射する。励起光によって吸収が飽和し、透過した信号光の強度には吸収が飽和した周波数でラ

図 2	  周波数弁別曲線

ムッディップが観測される。さらに励起光の位相変調はこの際に信号光に移乗し、これをロックインアンプで復調するとラムディップが微分形で得10-3られる。これが周波数弁別曲線である。
変調の移乗はラムディップのみに起10-4こるので信号は線形吸収の影響を受rin/Hz

けずにオフセットフリーであるとい

10-510-6う利点があるが、変調周波数は200kHz 程度に制限される。これに対して

Frequency

Modulation

Spectroscopy	  (FM 分光法)では信号

10-710-8
101102103104105106107108

frequency(Hz)

光を直接位相変調する。復調の際に線形吸収の影響を受けてしまう代わり

図 3	  相対強度雑音スペクトルに数 MHz の高い変調周波数を利用す対強度雑音スペクトルを示す。200	 ３	  実験	  3.1 FMS 信号取得	  FM 分光法のために図１の実験系

kHz よりも数 MHz 帯の方が一桁以上を組み直した。これを図４に示す。変も強度雑音が低いところで変調をか調周波数 11.8MHz として信号を取得けられることがわかる。FM 分光法にした。オシロスコープ画像が図５に示より高い SN 比の周波数弁別曲線が得したものである。雑音レベルが高くてられることが期待される。

信号が弱いため判別は困難だが周波ることができるというメリットがある。図３にヨウ素安定化レーザーの相数弁別曲線が確認できる。

I2cell

PBS

F.R

I2cellλ/2

low+noise+ampliﬁre

PBS
PBS

F.R

λ/2

F.R

low+noise+ampliﬁrePD
Mixer

Phase+shiIer

F.R

λ/2

LIA

Phase+shiIer

FM

pomp
signal

AOM

PBS
PD

Mixer

EOM

λ/2

FM

λ/2 λ/4 SHG isolatar YDFA

PBS

ﬁberDFBlaser+
1030nm

図 4	  FMS 信号取得のための実験系

図 5	  FMS 信号。変調周波数 11.8MHzAM pomp
signalEOM

AOM

λ/2 λ/4 SHG isolatar YDFA

PBS

ﬁberDFBlaser+1030nm

図 6	  強度変調併用のための実験系

図 7	  強度変調 10kHz を併用した FMS	  	  	  	  	  	  	  	 信号	  3.2 強度変調の併用	  3.3 変調周波数の最適化	  SN 比向上のため図６に示す実験系	  次に EOM の結晶に送る RF 信号をを組んで周波数弁別曲線を取得した。

増幅させる共振回路のコイルを可変AOM によって 10kHz の強度変調をに改造して位相変調の変調周波数をかけ、これをロックインアンプで復調変えそれぞれの SN 比を計測した。図している。取得した信号のオシロスコ

8 に結果を示す。また、26MHz の位ープ画像を図７に示す。SN 比 9.05dB、 相変調に固定し、強度変調を変えてそ信号強度 2.07V と、図 5 の信号の場合れぞれの SN 比を計測した。これを図よりも向上している。

９に示す。位相変調周波数 23MHz まで上げることで SN 比 24.42 dB まで向上した。このときの強度変調は50kHz であった。図９のように強度変調周波数 160kHz 程度で利得は飽和変調 10kHz での FMS 信号の SN 比はし、最大で 27.4dB まで SN 比が向上

9.05 dB、信号の強さが 2.07 V であっした。これは同じ実験系で MT 分光法

たのが、変調周波数 26 MHz、強度変による信号の 17.1dB よりも良い値で調 160 kHz での FMS 信号では SN 比ある。

は 27.4 dB、信号の強さが 4.72 V まで向上した。

４	  まとめ	  本 研 究 室 で は 宇 宙 重 力 検 出 器
DECIGO に搭載するレーザー光源の開発を行っている。重力波検出には非常に精密な周波数安定度が必要であり、飽和吸収線を周波数基準に採用している。飽和吸収線分光法には主に 2つの方法がある。励起光を変調してこれ を 信 号 光 に 移 乗 す るModulation-Transfer-Spectroscopy(MTS) と 信 号 光 を 直 接 変 調 す る
Frequency Modulation Spectroscopy(FMS)である。信号光を復調すればラムディップの微分形として周波数弁別曲線が現れる。現在本研究室ではMTS を採用しているが FMS ならオフセットが載る代わりに強度雑音の影響を受けにくい高周波数域での変調が可能で、MTS より高い SN 比の周波数弁別曲線が期待できる。	  本研究では FMS 信号の取得と、FMS 変調周波数の最適化と強度変調などを用いての SN 比の向上とにつとめた。	  得られた結果として MTS 信
号の SN 比は 17.1 dB、信号の強さは0.195 V、変調周波数 11.8 MHz、強度