重力波検出器 lcgt のための低損失ミラー開発

重力波検出器 LCGT のための低損失ミラー開発

辰巳大輔 (国立天文台 ), 上田暁俊 (国立天文台 )2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季＠龍谷大学、京都

2012/3/22 日本天文学会 2012 年春季＠龍谷大学、京都

KAGRA とは？次世代重力波検出器で中性子連星合体に対して１年に１イベント以上の検出が期待される。

特徴：基線長 3 km地下（低地面振動環境）低温ミラー


KAGRA に必要な３種類のミラー

KAGRA に必要な３種類のミラー

Category 1室温、大気中直径10cm以下

Category 2室温、真空中直径10cm以上

Category 3低温、真空中直径10cm以上

レーザー光源 >180W


各ミラーでのパワーOpticalPower(kW)

Pre-MC 10= 200W x50

MC in/out

24= 150W x158

MC end

24= 150W x158

PRM, PR2 0.8

PR3 0.8

ITM 400

ETM 400

180W Laser

3km の共振器に400kW の光が蓄積され重力波（時空歪み）を検知する。


各ミラーでのパワー密度Intra-Cavity

Power(kW)

BeamRadius

(cm)

PowerDensity(kW/cm2)

Pre-MC 10= 200W x50 0.046 1500

MC in/out

24= 150W x158 0.25 118

MCend

24= 150W x158 0.44 39

PRM, PR2 0.8 0.40 1.6

PR3 0.8 3.65 0.02

ITM 400 3.51 10

ETM 400 4.00 8 　

パワー密度の点では「カテゴリー１」が一番シビア。


高パワー密度での問題点

ダメージ閾値　 1000 kW/cm2

1500 kW/cm2

一般的な

高いダメージ閾値のミラーが必須！



「熱吸収 10 ppm の場合」熱変形曲率半径 R = 33 m

熱レンズ効果曲率半径 R = 1.3 m

1500 kW/cm2

設計ミラー曲率半径 0.3 m


熱変形・熱レンズ

PowerDensity(kW/cm2)

ThermalDistortion

ThermalLens

DesignedRoC

(meter)

Pre-MC 1500 1667 67 0.3

MC in/out 118 21200 847 flat

MCend 39 64100 2560 40

PRM, PR2 1.6 1562500 62500 304-2.76

PR3 0.02 125000000 5000000 24.574

熱吸収 0.2ppm


低損失ミラーの必要性（２）

ミラー表面での散乱 1 Watt

Cavity 内パワー　 10 kW

「散乱量 100 ppm の場合」


ミラーへの要求値

高ダメージ閾値 >10 MW/cm2

熱吸収 <0.2ppm

散乱 <10ppm

超低損失、ハイパワー耐性をもつミラーの開発

世の中にない

カテゴリー１の


低損失ミラー　開発戦略

1. 散乱 <10ppm

2. 熱吸収 <0.2ppm

3. 高ダメージ閾値 >10 MW/cm2低散乱量をきちんと測定することが重要！

QWP

HWP

Laser PBS

P-pol.

lens(1)

f=150mm500mW

20mW

FaradayIsolator

lens(2)

f=???mm

Pinholespacial filterlens(3)

f=400mm

Acousto-OpticModulator

lens(4) f=500mm

IntegratingSphere

PhotoDiode

y-zstage

MirrorMount

Total Integrating ScatteringMeasurement Setup

A sample mirror is here.

散乱測定実験工夫１ピンホールフィルタ

工夫２光学スイッチャー

工夫３ビームダンパー

散乱測定実験

＠国立天文台　三鷹キャンパス

散乱測定実験

低散乱ミラーへの道

1. 滑らかに研磨された基板

2. 誘電体多層膜をコート

3. 洗浄・汚染防止

滑らかに研磨された基板

どれくらい滑らか？Relationship betweenTotal Integrating Scatter (TIS) and micro-roughness (d)

4 TIS

2

= 1064 nm

総散乱量

総散乱量 = 1ppm = 0.85 Angstrom

相関距離

Non-coating Super-polishedsubstrate

Micro-roughness<0.75 Angstrom RMS

25 mm

25 m

m

ミラー中心の 10mm 角

平均値　 1.5ppm

　 Maker Product# 　　 Refrectivity Angle RoC Scattering (ppm)1 Newport 10CM00SR.50T IBS FS >99.97% 0 flat 27 2012/2/9

2 Showa Optronics Co. LTD 2010 年購入 IBS ??? 99.998% 0 flat 27 2012/2/13

3 Advanced Thin Films CRD1064-1025-100 IBS ??? 99.999% 0 1m, concave 26 2012/2/12

4 Lattice Electro Optics BS-1064-Rs50-45-UF-2038 ??? FS 52% 45 flat 44 2012/2/15

4 CVI Melles Griot Y1S-1025-0 　 FS >99.99% 0 flat 　　5 　　　　　　　　　6 　　　　　　　　　7 　　　　　　　　　8 　　　　　　　　　9 　　　　　　　　　

10 CVI Melles Griot PR1-1064-99-IF-2037-C EB BK7 99% 0 flat w/ wedge 126　 2012/2/10

11 CVI Melles Griot Y1-2037-45S EB BK7 >99.5% 45 flat 146　 2012/2/18

13 　　　　　　　　　14 　　　　　　　　　15 ALTECHNA 　 ??? BK7 99.80% 45 flat 133 2012/2/14

16 　　　　　　　　　17 　　　　　　　　　18 　　　　　　　　　19 　　　　　　　　　20 NEW FOCUS 5104 ??? Pyrex >99% 0-45 flat 279 2012/2/10

市販ミラーの散乱量

まとめ次世代重力波検出器 KAGRAのために

超低損失、ハイパワー耐性を持つミラーが必要。

1ppm レベルの低散乱量測定装置の立ち上げに成功！

国内数社のコーティングメーカーと共同開発中

Fundamentals

lensing lfor therma 2

ndeformatio lfor therma 2

21

2

2

2

P

Ps

R

Thermal lens which has a curvature radius of R is expected by the following equations.

Heating laser power density P/2

Deformation and lensing coefficient

6

7

100.52

100.22

The effect of thermal lensing is larger than that of thermal distortion.

lensing

distortion

Fused Silica

Sapphire

13

11

100.72

100.12



Pre Mode CleanerPre Mode Cleaner

Shape Bow tie

Beam Pass Air (in air tight case)

Round trip length 1.95 m

Reflectivity of in/out coupler 98%

Radius of Curvature of in/out 0.3 m

Free Spectrum Range 154 MHz

Finesse (intra power gain) 155 (50)

Cutoff frequency of the cavity 25 kHz

Beam radius at the waist 0.199 mm

Beam radius on the mirrors 0.460 mm

Material of spacer Supper invar or aluminum

Actuator PZT stage (DC-0.1 Hz) or Heater

Modulation frequency To be decided


Mode CleanerMode Cleaner

Shape Narrow triangle

Beam Pass in vacuum

Distance between in/out mirrors 0.5 m

Round trip length 53.296 m

Reflectivity of in/out mirror 99.37 %

Reflectivity of end mirror 99.99 %

Radius of Curvature of in/out flat

Radius of Curvature of end mirror 40 m

Mirror dimension Diameter 100 mm, thickness 30 mm

Wedge angle of AR side 2.5 degree


Mode CleanerMode Cleaner

Free Spectrum Range 5.625 MHz


Cutoff frequency of the cavity 5.625 kHz

Beam radius at the waist / in / out 2.53 mm

Beam radius on end mirrors 4.38 mm

Vibration isolator Type C

Actuator Coil magnet

Modulateion frequency To be decided


Arm CavityPre Mode Cleaner

Shape Linear

Beam Pass in vacuum

Round trip length 6000 m

Reflectivity of input mirror 99.6%

Radius of Curvature of input 1.68 km (0.008)

Reflectivity of end mirror 99.995 %

Radius of Curvature of end 1.87 km (0.009)

Free Spectrum Range 1.55 kHz


Beam radius on input mirror 35.064 mm

Beam radius on end mirror 39.983 mm

Vibration isolator Type A

Actuator Coil magnet or Electrostatic


産総研：計量標準総合センター


タイトル

<2 Angstrom



ダメージ閾値を超えると　破壊される。

熱変形

熱レンズ効果

重力波検出器 lcgt のための低損失ミラー開発

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