DECIGO 用光源と周波数安定化

電気通信大学レーザー研　武者　満

4thDECIGO-WG 06/05/11@ 国立天文台

� �

・ 光源・ 周波数安定化・ 宇宙空間でのレーザー・ まとめ

〜 DECIGO 用光源開発〜

△ 出力　 10W

○ 波長　 532nm 、単一縦横、直線偏光

▲ 周波数安定度 1Hz/√Hz@1Hz

○ 強度雑音　 10-8 /√Hz@1Hz

短波長ハイパワー高安定光源の開発

要求値

● 　研究項目

？宇宙空間動作 小型、高効率

耐宇宙線

機械的安定性

無重力下動作

〜

〜光源〜

現状： 20W 励起で 12W 出力 ( 単一縦横モード )

主レーザーを fiber-DFB にして全ファイバー化

現行 最終形

NPRO を主レーザーとした Yb-fiber MOPA+PPMgOLN● 基本波 高冷却効率 高効率 高ビーム品質

今後： 15W 以上の出力　　　機械的安定性向上と小型化

サイズ　 400x400 のブレッドボードに載せる　　　　（励起用 LD を除く )

〜

〜波長変換〜

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 121064nm Power (W)

Theory 2.62%/W

電通大　白川氏

● 　 PPMgOLN を用いた高効率波長変換理論的には変換効率 η∝ 入力パワー (L=10mm で 35%@12W)

● 　 L=20mm の結晶では 5W 以上実現

( 狭線幅なので位相整合可能 )

課題 実際の出力は理論値より低い ( 熱レンズ等 )

破壊閾値 O.K.

紫外線再吸収等で5W 以上は困難

コヒーレント加算

〜

〜主レーザー〜主レーザーをファイバレーザ -> 全ファイバ化で　　　　　　　　　　　　　　機械的安定性

屈折率周期構造

/4 shift

/2 周期

fiber-DFB laser

現在までの結果280W

〜

BBO Nd:YAG2nd Q-sw lasercylindricallensephase-maskphoto-sensitive fiber

〜周波数安定化〜要求値　 1 Hz/√Hz@1Hz まだ達成されていない値

宇宙空間での動作

●free-run での周波数雑音 & 制御利得

● 周波数基準 ・ F.P. 共振器

・分子飽和吸収

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103

PSD(Hz/

Å„Hz)

frequency[Hz]

Laser(free-run)

I2

Cavity の熱雑音限界

cavity

〜

〜 F.P. 共振器〜

double-pendulum suspension

eddy-current dumping

(ULE spacer)

vacuum chamber

RTVIn-foilAlglass diskL=50 É”=12.7É”=52 t=10

M.Notcuff,Opt.lett.30(2005)1815

2 段振り子懸架

20Hz/√Hz@1Hz

高フィネス、防震、断熱が必要

2Hz/√Hz@1Hz

● 宇宙空間での動作 無重力下での保持

打ち上げ時の振動

衛星本体の振動

機械的安定性

〜

20Hz/√Hz@0.1Hz

V.Leonhardt&J.Camp LISA WG 2005/12/5M.Musha Opt.Comun180(2000)166

垂直保持 熱シールド

10-1

101101

101

drag-free

〜分子の吸収線による安定化〜沃素の飽和吸収　 I2 R(56) 32-0 　 @532nm

=0.5 MHz 、 S/N =120@10kHz

〜

( 光周波数標準として認められている )

● 理論的雑音限界 -- 信号の S/N( ショット雑音 ) と自然幅

　 120cm のセルで 25Hz/√Hz@1Hz(10cm セルの安定度限界 )

・ NIST

・ LISA 30 Hz/√Hz@1Hz

modulation-transfer

V.Leonhardt&J.Camp LISA WG 2005/12/5

〜沃素安定化光源の安定度向上〜

共振器を用いた場合

L=50 cm、 F=35 (FSR=600MHz, f=17 MHz)

入射 power を下げるため shot-noise が上がる吸収長は増えるので信号強度は上がる

€

FS /N = 22F

π増強

2.5 Hz/√Hz

〜

● 信号の S/N を上げる・ショット雑音の低減 ・光路長の増大

● 細い吸収線幅 ・狭い自然幅

・圧力拡がり

・相互作用長拡がり

・パワー拡がり

○ 理論的雑音限界 -- 信号の S/N( ショット雑音 ) と自然幅

€

S /N = ηB2e

Psig

Pback

€

ηB2eα 0L P=

€

δf =Δν

ν (S /N)

1

J0(β )J1(β )

飽和強度で決まる

吸収長に比例

〜吸収長増加〜

● 共振器を用いた信号増強

●multi-pass ・制御不要　・アラインメント　　　　　　　干渉

frequency dither locking

NICE-OHMS

Ring cavity +Modulation transfer

機械的安定度

〜

変調周波数が低い雑音が混入

変調が多い

長期安定度が悪化するので試されていない共振器安定度の影響

〜細い吸収線〜

光源を Yb:YAG にする

=1031 nm I2:P(61) 43-0 515 nm

F=70, L=50 cm の共振器で　 0.5 Hz/√Hz@1Hz

Yb:YAG の NPRO+fiber-MOPAM.Hildebrandt et.al MB6 Proc. of ASSP 2006

線幅が 4 倍以上狭い

〜

INNOLIGHT

〜宇宙動作の光源〜宇宙研　水野先生

現在使われているレーザー (range finder, inter-sat. communication)

(LIDAR)

・ LD

・ Q-sw Nd:YAG

● 宇宙線　回路等は 1 発 ( 濃度 - （打ち上げ時 ) 　光学素子は積分 ( 周回軌道に依存 } LD 損傷無い

ファイバー　　 browning ジャケットの金コート

PPMgOLN 問題無い (NASA)

電気光学素子等 - 真空差動時に消光比の悪化

電荷　 --50V 以上は注意

Nd:YAG 結晶　 color center を防ぐために Cr を共添加

Alignment freeに

〜

10nz, 12mJ, 1Hz

wedge

　 retro-prism

〜宇宙動作時の注意〜

○ 可動システムを使わない (release 等 )

○2 台準備　載せ替え用　打ち上げ後は simulator として

工作委託　 NEC 東芝　 space system (NTS) LD

NEC 誘導光電　 (LIDAR)

被曝試験　高崎原研

○ アラインメント崩れに強いシステムcats eye等

〜

○ 廃熱は伝導 (heat pipe 等は使わない )

○ 温度変化に注意　 ( 保存時 - 動作時 )

〜まとめ〜〜

○ 第二高調波発生

○ 直接励起法に変える

○F.P. 共振器を使った安定化

2 段懸架、真空 + 熱シールド-> 垂直懸架

○ 共振器増強型 I2 飽和吸収を用いた短期安定化

今後の研究

周波数安定化共振器、分子とも安定度到達の可能性はある

共振器 : 環境等の影響大 - 衛星での動作は不可知

→ 分子吸収線の方が信頼性が高い