人工衛星搭載用周波数安定化レーザーの開発
電子工学科 植田研究室 堀内慎也

1.序論
序論

2.重力波について
重力波について

現在重力波を用いることで宇宙をとらえる

重力波は中性子星など大きな質量の星が移

重力波天文学が活発になっている。重力波は宇動することで周囲に伝播する。伝播した波は空宙始まり直後の状態や、中性子星など高密度の間を歪ませ、その様子は太陽地球間に対して水物質についての情報を提示するとされる。世界

素原子 1 個程度の歪みしかない。重力波は宇中ではレーザーを用い、マイケルソン干渉計を宙誕生の直後から伝播しており、原始宇宙状態構成して重力波検出を試みているが未だに検解明の手がかりとされる。

出に成功していない。

重力波はアインシュタインによってその存

日本では重力波検出のため次世代の計画が在を予言されており、現時点では間接的にその進行中である。宇宙空間での検出を行う存在が確認されている。1974 年、ジョゼフ・テDECIGO(DECI-hertz Interferometer Gravitational

イラーとラッセル・ハルスは連星中性子星の観Wave Observatory) 計 画 と 地 下 で 検 出 を 行 う

察記録とアインシュタインの導いた結果が誤LCGT(Large scale Cryogenic Gravitational wave

差 0.5 ％ 以内で一致したことが確認された。

Telescope) 計画である。前者の DECIGO 計画はこれにより二人は『重力研究の新しい可能性を2024 年に観測衛星を打ち上げることを目標に開いた新型連星パルサーの発見』という業績で現在推進中であり、2012 年には観測の技術検証1993 年にノーベル賞を受賞している。このよを行う試験衛星 DECIGO Pathfinder(DPF) であ

うに重力波の存在は世界的にも認められている。

る。しかし世界中で重力波の直接的検出に力を本研究では DPF の光源部におけるエンジニ注いでいるが、未だに検出されていない。

アリングモデルを設計、製作することを目的にそこで感度をさらに上げ、さらに地上で観測行った。

できない周波数帯域の重力波検出計画が日本と欧米で進められている。DECIGO 計画では1Hz 帯をターゲットとし、LISA 計画と LCGT計画の橋渡しをする。

図 1 DPF 概略図

図 2 各計画の重力波検出帯域

1

3.周波数安定化
周波数安定化化を行っていたが、これでは重力波を検出する

検出の標的となる重力波は非常に小さい変十分な周波数安定度 δf ≦ 0.5 Hz/√Hz を達化しか周囲にもたらすことが無く、検出には困成できない。今回 Yb:YAG NPRO を利用する難を極める。通常のレーザーでは単色光源であことで従来の方式より吸収線幅を狭めることっても周波数変化が僅かにあり、これが雑音とができるのでこれにより更なる高安定化を行なって重力波が埋もれてしまう。

った。

そこで周波数基準を別に用意し、それを参照

5.光学系の小型化
光学系の小型化して光源の周波数を安定にするシステムを作製した。周波数基準となるのはヨウ素の吸収線人工衛星搭載を考え光学系全体の小型化をである。光は分子と共鳴すると吸収されてしま行った。ヨウ素吸収線については前年度から測い、特定の周波数において強い吸収が起こる。

定されており、それらは 1 m × 2 m 程度の定

これを参照し光源の周波数を吸収線に掃引す

盤上にヨウ素セルなど光学素子が配置されてる。掃引後は制御利得を上げることで周波数をいた。本研究では人工衛星に搭載するため、こロックし高安定な光を得る。

れらの光学系を 400 mm × 400 mm の定盤上

しかし実際には分子の熱運動によって吸収線に小型化した。小型化したのは周波数基準を得がドップラーシフトしてしまい、線幅が大きくるための部分でヨウ素セルは長さ 400 mm で拡がってしまう。この場合、参照できる周波数あり、定盤に対して対角線上に置きその周りにが特定できず光源を安定化させる参照光とし他の光学素子を設置した。図 4 に今回作製したては不十分である。ここでヨウ素に対し、双方光学系の設計図を示す。光源から放たれた光は向から光を照射すると、拡がった吸収線の中心

図の左上から定盤場内へ入射する。入射した光に dip が形成される。これを飽和吸収といいこ

は PBS で二つに分かれそれぞれヨウ素吸収線の dip を参照して光源を安定化した。の信号を得るプローブ光と、飽和吸収信号を得るためプローブ光とは正反対にヨウ素セルに入射するポンプ光である。

図 3 左 吸収線が拡がる様子
右 飽和吸収線が生じる様子

4.光源について光源について
今 回 使 用 し た 光 源 は Yb:YAG NPRO(Non-planer Ring Oscillator) である。発振波長は1030 nm でヨウ素の 515 nm 帯の吸収に合わせ第二高調波を得てヨウ素セルに照射した。

図 4 定盤設計図

従来の方式では Nd:YAG を使用し 1064 nmの光を発振後、ヨウ素の吸収線に合わせてこのEOM と AOM は飽和吸収信号を得るため第二高調波 532 nm の吸収線を用い周波数安定の光学素子で、ヨウ素に照射する片方の光に対2し周波数を変調させる。ファラデーローテータ

自動制御に利用したのは H8 マイコンと呼と半波長版はポンプ光のヨウ素セル端面でのばれる安価なマイクロコンピュータである。こ反射を抑え、さらに光源へ光が戻ることを防ぐ。 のマイコンの特徴は、内部に A/D、D/A コンバ
またヨウ素に入射する前にレンズを設置した。

ータが内蔵されており外部との信号のやり取

これはビームエキスパンド用のレンズで、ビーりが簡単に行える。またカウンタも内蔵しておム径を広げる事で TOF ブロードニングを抑えり正確に時間を刻むことができる。これらの機る。

能を利用し外部からの信号を適切に処理して自律制御システムを作製した。

ヨウ素セルには信号強度を増強するためにマイコンが制御を行う流れは以下のようにマルチパスで光を通過させる工夫を行った。パスの数は 4 でこれに伴い専用のミラーマウンなっている。

トを作製した。光軸の高さは定盤から 5 cm に（1）周波数を大きく掃引設置することで系全体の機械的安定性を高め⇒線形吸収信号を得るた。以上の点を踏まえて作製した光学系を図 5（2）吸収中心近傍で小さく掃引に示す。

⇒飽和吸収の微分信号から吸収中心にロック（3）制御利得を上げる

プローブ光⇒光周波数の高安定化（4）ロックが外れていないか常に監視⇒外れた時に飽和吸収へ再掃引しリロック
マイコンが制御を行う対象は光源の周波数と、ポンプ
光制御利得を上げるためのスイッチングである。
ヨウ素セルを含んだ光学系から得られる周波数基準を逐一確認し、光源にフィードバックする。

図 5 作製した光学系写真

6.マイコンによる自律制御
マイコンによる自律制御

図 7 マイコンが制御を行う対象

宇宙空間では容易に人が立ち入ることがで光源の周波数掃引は 2 種類ある。一つは結きないので、周波数を自動で高安定になるシス晶温度を操作して GHz 単位で周波数を変化さテムを利用して開発した。

せる。もう一つはピエゾ素子をコントロールすることで、結晶を歪ませ MHz 単位で周波数を微調する方法である。本研究ではヨウ素が光を吸収する線形吸収の様子をマイコンで捉え、吸収が一番大きい周波数を探し出し最終的に吸図6マイコンが制御を行う流れ収中心まで掃引する操作までを行った。
安定化装置ではプローブ光の強度を観察す
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る。吸収が強い場合光はヨウ素セルを透過しきこれから先の最初の目標になる。今回マイコンれず、フォトディテクターでは弱い信号としてで信号を得たのは、前年度から吸収信号を測定示される。そのときの電圧をマイコンは逐一記していた光学系を利用したものである。正しい録して最後に最小値を比較する。比較後信号最信号が作製した光学系で測定できるかを確認

小値に対応する信号を光源にフィードバックしていく。
今回の実験ではマイコンは第一段階の制御した。実験結果を図 8 に示した。

を行っただけで、それ以降の飽和吸収信号を利用して周波数ロックまで制御していない。マイコンを通さず常に安定した信号を得られたことを確認し、その信号をもとに閾値を定めそれをマイコンに記憶させてスムーズな周波数掃引を行う予定である。その他周波数が吸収中心から外れた際のモニタ回路を作製しマイコンは掃引完了後、常に監視状態にして周波数外れに対して順応できるかのテストも行わなければならない。
ヨウ素の 515 nm 帯での新しい周波数基準

図 8 マイコンによる線形吸収掃引が認められれば、今回の小型化した系は可搬用なので世界中の周波数基準と比較し更なる高7.考察
考察

安定システムを世界中で共有できる可能性をマイコンから掃引信号を送ると幾つかの吸秘めている。本研究では重力波を検出するため収が確認できた。肉眼でもこの間時刻経過に伴の高安定なレーザーシステムの開発が目的だ

いヨウ素セルが光を帯びることが何度か確認が、応用範囲はとても広く次世代の周波数基準できた。マイコンで掃引できる周波数振れ幅いとして活用される要素も含まれている。更にマっぱいまで信号を操作した後、マイコンは線形イコンを利用して誰でも簡単に高安定な基準吸収信号の大小を比較して最小値を検索し吸が得られればあらゆる研究室に周波数基準を収が一番強いときの掃引信号を出力している。

設置することができる。今後は光学系の完成を

図 8 の約 170 s 以降が吸収中心に周波数掃引し見通すだけでなく、多目的にこの研究が活用さている部分である。掃引信号を大きくするにつれないか様々な視点でこの研究を見ていく必

れて約 130 s では線形吸収信号が不安定にな要がある。っている部分がある。これは光源がモードホップしていると考えられ、今後の実験においては参考文献

これを避けるように予めマイコンの掃引幅を[1]Thomas J.Kane and Robert L.Byer,設定し、不安定要因を極力避けるようにシステ

Opt.Lett.10,65-67(1985).
[2]横山直隆,“C 言語による H8 マイコンプログラミング入門,”技術評論者(2003).
[3]古在由秀,“宇宙を探る新しい目 －重力波－,”
クバプロ(2002).

ムを作り上げる努力が必要だと確認できた。

8.今後の展望
今後の展望
作製した小型の周波数安定化装置において線形吸収信号、飽和吸収信号を測定することが4