超低損失ミラー用散乱角度分布測定装置の開発
武者研究室 長岡 慧1. 序論であると考えられる。一方で、今回評価する

1916 年 Albert Einstein によって重力波ミラーの全損失は現在使用している全散乱の存在が予言された。重力波は、時空の歪み測定装置により、数 10 ppm 程度と非常にが波動の形で伝搬する現象である。しかし、小さいことがあることがわかっている。こ重力波の振幅は非常に小さく、生じる空間

れは 1 W のレーザーを入射しても 10 μW−21の歪みはΔL/L=10程度である。これは、程度しか散乱しないことになる。もちろん地球と太陽間の距離が水素原子 1 個分変化

これは全散乱での値であるから、角度分布するに過ぎない。重力波検出には大型のフを測定するとなると、さらに小さい光を検ァブリーペローマイケルソン干渉計が用い出する必要がある。この検出には、Si フォられ、わが国では KAGRA と呼ばれる重力トダイオードとトランス・インピーダンス・波検出器の開発が行われている。これに使アンプ回路を使用した。さらに様々な個所用されるミラーには、99.99%以上の高反射から発生する迷光も測定に影響を及ぼすた率と数 ppm 以下の超低損失であることがめ、これらの迷光対策についても、使用する要求される。過去には航空電子株式会社とダンパーや吸光シートなどの選定も行った。

電気通信大学の共同研究により、反射率

この論文では、この測定装置の立ち上げに99.996 %、損失 1.5 ppm の超高性能ミラー関して現状について報告する。の作成に成功したが、現在これに並ぶ、もしくはこれを超えるミラーの作成は出来てお2. 原理

らず、KAGRA で使用可能なミラーの日本2.1 重力波検出器国内での作成は不可能である。我々は現在、重力波による空間の歪みは非常に小さ

シグマ光機、国立天文台と協力し、ミラーのく、その歪みは近傍銀河で生じた重力波の作成技術を過去と同じ水準に戻し、かつそ場合でもΔL/L = 10−24 程度である。これはれを上回る技術を得るために研究を行って太陽と地球間距離が水素原子 1 個分変化すいる。その研究の一環として今回実験を行るに過ぎない。っているのが、ミラーの散乱角度分布の測重力波検出器としては共振型検出器や干渉定である。ミラー表面で起きる光学散乱は、計型検出器などの種類が存在し、現在の重その散乱源となる物質の大きさにより、レ力波検出の主流はファブリーペローマイケ

イリー散乱やミー散乱などに分かれる。こルソン干渉計である。ファブリーペローマ

れらの散乱により生じる散乱光の光強度のイケルソン干渉計とは、マイケルソン干渉角度分布は異なる。そのため、ミラーの散乱計の腕の部分をファブリーペロー共振器に角度分布が測定できれば、その角度分布か変えたものである。以下に概略図を示す。

らミラー表面の散乱源の大きさが評価可能

図 2.2 レイリー散乱角度分布
ミー散乱は主に散乱源の大きさがおおよ
そ光の波長と同じ程度の時に生じる光学散図 2.1 ファブリーペローマイケルソン干渉計
重力波検出器の感度はファブリーペロー共乱である。
非偏光光線のミー散乱の散乱強度は以下の式で表される。

振器を構成するミラーの反射率に依存す

𝐼(𝜃) =る。そのため、高反射率、超低損失のミラ𝐼0 𝜆2 (𝑖1 + 𝑖2 )8𝜋 2 𝑅 2ーが必要となる。

𝑖1 =垂直方向のミー強度パラメータ

2.2 散乱𝑖2 =水平方向のミー強度パラメータ

散乱とは、光が粒子などの相互作用により、進行方向が変化する現象であるといえ強度パラメータ𝑖1 、𝑖2 は、屈折率 m 、粒径𝜋𝐷る。このときに生じる散乱は、散乱源の大きパラメータα(α = 𝜆 )、および散乱角θ のさにより、レイリー散乱やミー散乱といっ関係で表される。

た、異なる特徴を示すものに分かれる。

ミー散乱を数学的に解析するには非常に難レイリー散乱は散乱源の大きさが光の波しい要素があるため、コンピュータのプロ長以下である、数10 nm以下で生じる散乱でグラムで解くのが現在主にとられている手ある。レイリー散乱の角度分布は以下の計法である。

算式により求めることができ、次のような角度分布が得られる。

3. トランス・インピーダンス・アンプ回𝐼0 𝜋 4 𝑑 6 𝑚2 − 1() (1 + cos2 𝜃)
8𝑅 2 𝜆4 𝑚2 + 1

この実験ではミラー表面で生じる散乱光

R=散乱粒子からの距離、m=屈折率、の角度分布をフォトダイオード(PD)で検出I0=入射光強度する。このとき検出する光は非常に小さい𝐼(𝜃) =路ため、PD で出力される電流もまた非常に小さい。この電流を、オシロスコープで検出されるレベルの電圧に変換する必要がある。この変換に使用するのがトランス・インピーダンス回路である。

て伝搬させ、測定ステージ上のターゲットに入射させる。その際に生じる散乱光をフォトダイオードで検出することで散乱角度分布の測定を行う。
5. 迷光対策
今回の測定では以下の図のように迷光がノイズとなってしまい、散乱光を測定でき
図 3.1 トランス・インピーダンス・アンプなくなる可能性があるため、迷光対策を行回路

い、迷光を散乱光以下にする必要がある。

この回路により、PD 電流𝑖PD により生じる出力電圧𝑉out は𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑖𝑃𝐷 × 𝑅となるため、𝑖𝑃𝐷 が非常に小さい場合でも𝑅の値を大きくすることで𝑉𝑜𝑢𝑡 の大きさを調整することが可能となる。今回の実験ではPD から生じる電流が3 × 10−9 A と非常に小さいので、抵抗には 100 MΩを使用する。また、雑音の評価も併せて行った。
4. 散乱角度分布測定装置

図 5.1 迷光対策概要

今回作成した測定装置の概略図は以下の今回の実験では散乱光が 3 nW 程度であるとおりである。

ため、それ以下に低減する必要がある。
そのため、ビームダンパーの選定やシールドを用いた迷光対策などを行った。
5.1 ビームダンパーの選定
ビームダンパーは、入射したビームを吸収する光学機器である。本実験でもステア
リングミラーの透過光やアイソレータの漏光といった測定に悪影響を及ぼす光をダンプするために使用している。だが、ビームダンパーにも少なからず散乱（後方散乱）

図 4.1 散乱角度分布測定装置概略図が存在するため、使用するビームダンパー

光源には波長 1064 nm、出力 800 mW のも散乱が小さいものを選択する必要があ

Nd : YVO4 レーザーを使用する。アイソレる。今回は市販品のものと自作したもののータを使用し、戻り光を抑制した後に、空比較を行った結果、自作したものが市販品間フィルタを通すことでビームの整形と拡に比べて 1/10 程度の散乱となった。以下大を行う。ステアリングミラーを 2 枚用いに今回自作したビームダンパーの写真を載

6. まとめと展望せる。

超低損失ミラー用散乱角度分布測定装置の開発を行った。今回行った内容を次に示す。
・散乱角度分布測定装置で使用する光学機器の特性の測定と、その結果を用いた光学系の設計・受光系で使用するトランス・インピーダ
図 5.2 自作ビームダンパー

ンス・アンプ回路を作成し、特性を評価しこれは ND フィルタをひし形に配置したもたうえでのシミュレーション結果とのので、上の写真のようにビームを入射する・迷光対策で使用するビームダンパーや低と内部で反射しつつ吸収される。またビー

散乱植毛シートの特性評価

ムダンパーの特性評価のほかにも低散乱植今後の予定であるが、現状では迷光対策が毛シートの特性評価を併せて行った。

不完全で、散乱角度分布の測定が行えてい5.2 迷光対策結果ない。遮蔽の最適化を行うことで迷光を 3遮蔽板や上記のビームダンパーを用いてnW 以下まで低減する。この目標が達成さ迷光対策を行った結果、迷光は以下のようれたならば、次に透過率が 100 %に近いタに低減することが出来た。

ーゲットを用いて散乱角度分布の試験測定

Power (nW)302520を行う。この測定で散乱角度分布が測定で1 回目
2 回目
3 回目

きたならば、散乱角度分布測定装置を完成したとみなし、実際のターゲットの散乱角15度分布の測定を行う。

105

出射方向

0

入射方向

図 5.3 迷光対策結果
これは測定ミラーの位置に光検出器を設置し、360°回転させ、どちらの方向からどのくらいの迷光が来ているかを測定した結果である。1 回目は遮蔽板などを設置していない場合で 2 回目は遮蔽板やビームダンパーを設置した状態、3 回目はこれらの位置を調節した場合のものである。この結果からこれら遮蔽板やビームダンパーは迷光対策として効果があるということが分かった。