宇宙型重力波検出器のための周波数・強度安定化光源の開発
武者満研究室末正有

平成 28 年 3 月 7 日

1 序論

比で決まる。SN 比の良い信号を得るためにレーザーは空間・時間的にも非常にコヒーは信号を精密に分光したうえで線幅や測レンスの高い光であり、測距や通信などの定時の条件などを吟味し、評価しなければ分野で広く用いられている。近年は宇宙空ならない。そこで、先に開発した周波数安間でもその需要が高まっており、測距や衛定化光源（BBM2）を光源としたヨウ素分子星間の通信だけでなくレーザーを用いた宇の精密分光装置を作成することで周波数軸宙空間における物理量の測定などが計画さの正確な分光を可能にし、SN 比や線幅などれている。重力波検出計画もその一つであの評価を行った。その結果、ヨウ素の飽和り、これを実現するためには非常に高い周吸収線の圧力広がりの線形性などを取得し、波数安定度と強度安定度を持ったレーザー

ヨウ素の飽和吸収線のSN 比や線幅はまだの開発が必須である。本研究では宇宙型重改善の余地があることが分かった。レーザ

力波検出器DECIGO のための1 Hz 帯で周ーの強度雑音は自由空間光学系とファイ波数・強度が安定化されたレーザーの開発バー光学系の両方で安定化を行った。光のを行っている。本研究では重力波検出器用

偏光揺らぎやファイバーの機械的振動の影光源として試作機であるBreadboard

響を抑圧することで、10-7/√Hz 台まで雑Model(BBM2) の開発を行った。1 Hz にお音を抑圧した。そしてBBM2 の周波数安定度

ける周波数安定度が高い共振器の共振スペの評価のために二台目の安定化光源であるクトルではなく、あえて分子（ヨウ素）のBBM3の開発を行った。BBM3はBBM2の機械的吸収線にレーザーの周波数を安定化させて安定度の反省や精密分光装置で得られた結いる。また、従来周波数基準として広く用果などを元に光学設計を１から行いビームいられてきたヨウ素の532 nm 帯の吸収線系などの最適化を行っている。

ではなく、515 nm 帯の吸収線を周波数基準として用いている。515 nm の吸収線は5322 BBM2 の開発・周波数安定化

nm の吸収線よりも線幅が細く、低周波数域

2.1 BBM2の概要

では高い周波数安定度が見込めるからであ

図１にBBM2の概略図を示す。光源には波長る。BBM2 では誤差信号評価で0.4 Hz/√Hz1030 nm のfiber DFB laser を用いる。光の周波数安定度を得た。また、レーザーの源からの出力はまず手製のファイバー光増

短期的な周波数安定度は周波数基準のSN幅器（Yb-doped _ber ampli_er:YDFA）を用いて増幅され、光源への戻り光の影響を避けるために接続されたアイソレーターを通過後に非線形光学素子(MgOPPLN) へと導入される。MgOPPLN 結晶によって515 nm の第二高調波が発生し、その後インライン型の偏光ビームスプリッターによって二つの光に分岐される。この光の分岐比は偏光子(Polarization Controller:PC) によって図１

BBM2の概略図調節される。PBS によって２つに分岐された光をそれぞれSignal 光、Pump光とする。

2.2

Signal 光は光干渉を防ぐために設置されBBM2 を用いて取得した周波数弁別曲線をたAOM を用いて周波数が80 MHz シフトさ周波数基準とし、作成した制御回路を用いれた１次光を取り出し、Pump光は電気光学て周波数安定化を行った。周波数安定度は変調器(Electrical Optical

FFT アナライザーを用いて周波数雑音スペModulator:EOM ) を用いて200 kHz の位相クトルを測定することで評価を行った。そ変調を掛けた後にファラデーローテーターの結果を図2に示す。

(FR)、半波長板(λ/2 板) を通ってP 偏光

帯域1 Hz における周波数雑音スペクトルに変換される。この二つの光はヨウ素分子に注目すると無制御時ではΔf = 104 Hz/が封入されたガラスセ√Hz 台の安定度であるが、周波数安定化をル（ヨウ素セル）へと同軸に対向入射され、行った制御時ではΔf = 0.4 Hz/√Hzまでセル両端に接着されたミラーによって光を周波数雑音を抑圧し、DECIGO と５回往復させている。ヨウ素セル中で位相Pre-DECIGO の要求値を満たした。この結変調成分がPump 光から移乗（変調移乗）さ果より_ber DFB laser の周波数は周波数れたSignal 光はFRとλ/2板を通過した後基準に対して十分に追従しているといえるにS 偏光へと変換されPhotodetector(PD)が、これはあくまでも誤差信号評価によるによって検出される。PD で受光された光は評価であるため絶対的な周波数安定度の評電圧信号へと変換された後にLock-in価にはならない。そのため、二台の安定化

ampli_er(LIA) によって復調され、周波数光源を用いたビート測定または光コム等の弁別曲線となる。

周波数安定度評価システムを用いた周波数

周波数弁別曲線から検出された誤差信号は安定度の評価を行う必要がある。

手製の制御回路(Servo filter) を介してfiber DFBlaser のPZT driver へ帰還され周波数が安定化される。

周波数安定化結果

安定化光源部にはヨウ素の飽和吸収線を用いて周波数安定化を行ったBBM2 を用いた。
周波数掃引部では安定化光源部の非線形光学素子出射後の光の一部をAODに導入し一次光を取り出している。AODの駆動にはdirect digital synthesizer (DDS) を用いており、PC を用いて掃引速度やサンプル数などを設定する。これにより安定化光源部で周波数安定化された状態で周波数掃引
図２

周波数雑音スペクトル（誤差信号評価）することが可能となっている。
分光部では周波数掃引部からの光をAOMへ

3 精密分光装置の開発と導入し、さらにその一次光をPBSで二つのレーザーの周波数安定度は最終的には周波偏光の光（pump光とsignal 光）に分けた。

数基準自体の持つ安定度によって決まる。

BBM2と同じくpump光には位相変調を行い、つまり、周波数基準に対して十分に追従しsignal 光にはAOMで周波数シフトさせたているヨウ素安定化レーザーの場合は線幅後にヨウ素セルへと対向入射する変調移乗が細くSN 比の良い飽和吸収信号を周波数法を用いて飽和吸収信号の取得を行ってい基準に用いることでより周波数安定度を向る。BBM2 と異なり光はセル内で1 回だけパ上させることが出来ると考えられる。このスしているため、光路長は400 mmとなってような線幅が細くSN 比の良い飽和吸収信いる。分光信号はPC へ掃引周波数と同期取号を得るためには、従来よりも正しく精密り込みされるため、周波数軸が正確な飽和に飽和吸収信号のSN 比や線幅を評価する吸収信号が得られる。

システムが必要であり、また分光時の圧力や光路長、パワーなども最適化することが必須である。そのため、周波数を安定化したBBM2を光源として精密に分光し、線幅やSN比などを正当に評価出来る精密分光装置の開発を行った。
3.1

精密分光装置の概要

図3に精密分光装置の概略図を示す。
この分光装置は安定化光源部、周波数掃引部、分光部で構成されている。

図3

精密分光装置概略図

3.2

精密分光装置による分光結果

渉計の腕の長さの揺らぎにカップリングし精密分光装置によって得られた飽和吸収線測定精度が低下してしまうからである。まの線幅の圧力広がりの様子を図4に示す。

た、レーザーの強度安定化は比較的高周波数域では行われているが、低周波数域では雑音を取り除くことが非常に難しいためほぼ前例はない。重力波検出器DECIGO の強度雑音の要求値は1 Hz で10-8 /√Hzであるため、今まで前例の無い低周波数域でレーザーの強度安定化を行った。

4.1 実 験 概 要
BBM2 は図5のように光源とファイバー増幅
図４

線幅の圧力広がり器によるMaster Oscillator Power

Amplifier(MOPA) 構造になっているため分光部のヨウ素セルの圧力を変化させると強度雑音はファイバー増幅器によって支配ヨウ素の飽和吸収線の線幅が変化し、BBM2される。つまりYDFAの励起用半導体レーザ単体では得られなかった圧力と線幅の間のーの電流源をコントロールすることで強度線形の関係が得られた。線幅は最小で半値安定化を達成することができる。YDFAから半幅 316 kHz(@1 Pa)を得た。他にも波長の出射された増幅光を二つに分岐し片方を制違いによる飽和吸収線の SN 比・線幅の違い

御用ループ、もう片方を実際に干渉計に用や、ヨウ素セル内の相互作用長の違いによいるための光として用いた。二つの光はそる線形吸収と飽和吸収のコントラストの違れぞれ強度雑音をin-loop（誤差信号評価）、いなどを測定し、波長や相互作用長などのout-of-loop（絶対評価）として評価を行

条件を最適化することにより更なる周波数った。

安定度の向上が見込めることが分かった。

4 強度安定化
重力波検出器用光源には高い強度安定度が求められている。この理由は二つあり、一つ目の理由は高い強度雑音は輻射圧雑音となりレーザー干渉計測の測定リミットとなるからであり、二つ目の理由はレーザーのパワー揺らぎにより衛星間で構成される干図5

強度安定化実験概略図

自由空間光学系とファイバー光学系の二つ悪化に繋がっていたが、エポキシ樹脂でフの実験系 で強度安定度を評価した。自由空ァイバーを固めることにより振動を抑える間光学系では自由空間で光をビームスプリだけでなく、2 つの loop の雑音成分を共通

ッ タ ー (BS) で 2 つ に 分 け 、 片 方 の 光 はにすることが出来たことが強度安定度向上

in-loop として制御用に用い、もう片方のに繋がった。2 つの実験系の out-of-loop

光は out-of-loop として実際に重力波検出の安定度は定電圧源の安定度と一致してい器に用いる光とした。この実験系では偏光るため、定電圧源をより安定度の高いもの子などを用い YDFA からの出力の偏光のゆに変更すれば更に安定度向上が期待出来る。

らぎの影響を抑圧することにより、out-of-loop の強度安定度の向上を行った。ファイバー光学系では YDFA からの出力を 3 dB カプラーで二つに分け、自由空間 光 学 系 と 同 様 に そ れ ぞ れ in-loop 、out-of-loop とした。この実験系ではファイバーをエポキシ樹脂で固め、機械的振動を抑える事で out-of-loop の強度安定度の

図6 自由空間光学系

図7 ファイバー光学系向上を図った。なお、両方の実験系でin-loop、out-of-loop 両方の強度雑音スペ

5 BBM3 の開発クトルを測定した。

2章ではBBM2を開発し周波数雑音スペク4.3

トルを測定、誤差信号評価を行ったが結果と考察

2 つの実験系の強度雑音スペクトルを図BBM2 が持つ本当の安定度は不明であるた

6,7 に示す。in-loop では自由空間光学系とめ、これとは別に評価を行う必要がある。

ファイバー光学系の両方でΔI/I=10−8/√

BBM2 の周波数を評価する方法は自己遅延Hz(@1 Hz)を達成した。out-of-loop ではそヘテロダイン法や光周波数コムを用いた周れぞれΔI/I=1.5x10−7/√Hz,1.2 x10−7/√

波数測定システム、同安定度の光源との比Hz を達成した。自由空間光学系では BS に較などが候補に挙げられたが、本研究では偏光依存性があり YDFA の偏光揺らぎの影二台の安定化光源の周波数比較で安定度を響を受けて光の分岐比が変化することで評価する方法を選択した。またBBM2 には機

out-of-loop の強度安定度が悪化していた械的安定度やビーム径などの光学設計に課が、偏光子を用い BS の角度を傾けることに題があり、改善の余地があると考えた。そより偏光揺らぎの影響を抑圧することに成のためBBM3 は基本的な光学設計などを一功した。ファイバー光学系ではファイバーから見直し、開発を進めてきた。の機械的振動が out-of-loop の強度安定度

により1.9 倍、pump 光は2.5 倍に広げら

5.1 BBM3の 概 要

れ、それぞれビーム径が約2.1 mm、2.3 mm

BBM3の概略図を図7に示す。となってヨウ素セルへと導入されている。

BBM3の光源や波長変換用の非線形光学素子、5.3 機 械 的 安 定 度 の 向 上

ヨウ素セルなどはBBM2 と同様のものを使今まで使用していたBBM2 は可動部が多く、用しているが、アルミ定盤に載せる一部の数週間経つとアラインメントが狂ってしま部品や光増幅器(YDFA) などを自作していうという問題点があった。また、殆ど全てる。信号取得方法などの基本設計はBBM2 との光学部品をロッドに取り付けフォークで同じであるが、機械的安定度と信号の線幅固定していたため定盤にはスペースの余裕を向上させるために以下の工夫を行っていが殆ど無く、新たな実験のための光学系をる。

構成する余裕もなかった。この二つの問題点を解決するためにPBS、レンズ、FR、半波長板を作成した一体型マウントに固定し、マウントは直接定盤に固定する方式を採用した。実際に作製したBBM3を図8に示す。

図75.2

BBM3の概略図

ビーム径の計算

BBM3 の信号取得部は計4 枚のレンズを用いてpump 光とsignal 光にビームエキスパンダーを構成している。ビーム径をある程度広げた状態で光をヨウ素セルに導入すると相互作用時間が増え、ヨウ素の飽和吸収線の線幅が細くなる効果があるからである。線幅100 kHz以下の飽和吸収線を得るた
めにはビーム径を1.4mm以上にしなければならないため、signal 光のビーム径が2 mm程度になるように設計を行った。ϕ = 1:1mmのファイバーコリメーターから出射した光のうちsignal 光はビームエキスパンダー

図８

実際に作製した BBM3