2010 年度 TAMA 開発研究計画 国立天文台 辰巳大輔 2010-06-16 @ ICRR, Univ. of Tokyo

TAMA RSE と LCGT の関連性 TAMA LCGT RSE condition Broadband Narrowband (tuned) (detuned) ** enable to switch broadband Length sensing 30 MHz (AM) 11 MHz (AM) 75 MHz (PM) 45 MHz (PM) Alignment WFS sensing control for shot noise reduction TAMA RSE では出来ないこと o Radiation pressure による共振器不安定性への対処と技術実証 o Alignment control による低周波感度悪化をおこさない対策と技術実証

PLUS 2010 での答申 実働人員増員の上、TAMA で RSE のアライメント実験を行うが、それで 2010年は (RSE ミラー導入で) 精いっぱい。 制御の実態(方法)は、LCGT そのものではない。 (TAMA 干渉計の geometry の制約により、違ったものにせざるを得ない。) 一方 LCGT 最終案まで至ってない。 (特に LCGT での alignment sensing control については 今年度、集中的に議論を進めているところである。) 作業部会で、LCGT 案を細部まで検討してもらい、その最終案をみて RSE の進め方（場所、方式など）を決定したい。

TAMA RSEの length 制御信号取得 国立天文台、Caltech 宮川　治 辰巳大輔、新井宏二、苔山啓以子 TAMA Collaboration

干渉計光学設定の発展 Michelson interferometer (MI) Fabry-Perot MI (FPMI) Power recycling (PRFPMI) Dual recycling (DR) ショットノイズを下げるため検出器側をダークに保つよう制御 Fabry-Perot caivtyを用い、腕で光を折り返し光路長をかせぐ Dark Port側の重力波シグナルを打ち返し増幅する(Signal Recycling) Bright Port側の光を再び打ち返し、実効的な内部パワーを上げる

RSEとは 干渉計の光学設定の一つでResonant Sideband Extractionの略 水野潤氏によって考案されたSignal Recyclingの発展型 Dark port側に鏡を追加し、腕キャビティー内でのパワーを高く保ちつつ、重力波信号に対するフィネスを低くすることにより、帯域を確保する方法 パワーリサイクリングとは独立な技術 Advanced LIGO、LCGTで採用される予定（多分Advanced Virgoとかでも）

RSEによる感度向上の原理 DCのショットノイズがよくなる Low Finesse 数kmクラスの長基線長干渉計ではフィネスをあげることに限界がある（ex. LIGO～100） なぜなら、腕のフィネスを上げてもDCでの shotonoise limited sensitivityが上がるのみで、地面振動などに制限され干渉計の感度は向上しない フィネスを上げる技術はあるのに、上げれないという状況はもったいない

パワーに対するフィネスと、重力波信号に対するのフィネスを分けて考えよう！ RSEによる感度向上の原理 重力波信号 Signal extraction cavity (SEC) SEM パワーに対するフィネスと、重力波信号に対するのフィネスを分けて考えよう！ そのためにはもう一枚鏡をダークポート側に置いてやり、その鏡とフロントミラーでできる共振器（SEC）の反射率が、フロントミラー単体の反射率よりも低くになるように制御すれば良い その結果、長基線長干渉計でも腕キャビティーのフィネスを上げ、パワーに対する高いフィネスを保ちつつ、Dark port側に漏れてくる重力波信号のフィネスを下げる（RSE）ことができる これは腕キャビティーでresonantした重力波によってできるsidebandを、extract (引き出す)するということであり、その結果、重力波に対するバンド幅を増やすことができる

Detuning さらに、SRMのミクロな位置を変えることにより（detuning）、重力波に対する周波数応答を複雑に変えることができる

The way to full RSE Detuned dual recycled Michelson 5 DOF lock with offset in CARM ETMy Reducing CARM offset ITMy PRM BS ITMx ETMx SRM Carrier 33MHz 166MHz

Geometry NM,EMはSASインストール済みなため、移動不可能(最大で数mm) アシンメトリーは鏡厚等も考慮して で固定 PRMは真空槽内で動かせる SRMは真空槽自身を移動できる ピックオフが両BS-NM間に入っている

各種パラメータ 干渉計への入射パワー : 2W PDへの最大入射パワー : 10mW for L+, L-, l+, l-, ls , 40mW for L- 腕キャビティーFinesse : 516 PRM反射率 : 0.85 SRM反射率 : 0.48085 パワーリサイクリングゲイン : 14.2 量子効率 : 0.93 変調はf1 、 f2 と2つ使い、それぞれMach-Zehnderで足し合わせる 実効変調指数 : 0.175 (EOM単体では0.35、Mach-Zehnderのため効率低下) f1は7次まで、f2は2次まで計算 変調周波数はモードクリーナーのFree Spectral Rangeである15.235MHzの倍数

RF変調周波数の選択 変調周波数はMCのFSRである15.235MHzの倍数 Michelsonのアシンメトリーに厳しい制限あり Michelsonを透過するサイドバンドはその9倍の135MHz付近 Michelsonを全透過するための2つ目の変調周波数 f2がWFS（wave front sensor）のQPDに対して高くなりすぎる DDM（double demodulation）は分離比は良いが、一般的にshotnoise limit sensitivityが悪い、AM-PMの組み合わせになる SDM（single demodulation）は分離比は悪いが、一般的にshotnoise limit sensitivityが良い、 PM-PMの組み合わせになる THD（3rd harmonics demodulation）なども使えないか?

RF変調周波数の選択 15MHz-AM, 135MHz-PM, DDM (LCGTに一番近い、WFS全然ダメ) 15MHz-AM, 75MHz-PM, DDM (宗宮法をより一般化、WFSまだダメ) 15MHz-AM, 45MHz-PM, DDM (WFSなんとかOK、エラーにoffset大) 15MHz-PM, 75MHz-PM, SDM, THD by 45MHz (DDM使えず、THDだとL+ , L-からの混入大、WFSOK、現TAMAの回路が使える) 15MHz-PM, (30MHz-AM), 75MHz-PM, DDM by 75MHz and 30MHz, SDM (DDMでもL+ , L-からの混入大、WFS:OK、現TAMAの回路が使える) 15MHz-PM, (30MHz-AM), 75MHz-PM, diff. demod. by 45MHz, SDM (L+ , L-からの混入大、WFS:OK、現TAMAの回路が使える) sum. demod. by 105MHz, SDM (分離比良い、WFS:OK、現TAMAの回路が使える) 計算はOptickle(宮川)で実行、FINESSE(苔山)にておかしな所がないか確認

Length 制御のまとめ 変調:15MHz-PM, 75MMHz-PM 中央部の DRMI 部分のロックには 30MHz の AM を 利用した、30MHz+75MHz の Summation Demodulationを使う (Acquisition mode) これまでの 15MHz の回路がそのまま使用できる ロック後にいくつかの自由度は Single demodulationに切替 (Detection mode) 各自由度の coupling を考えると、Feed forward などの技術が必要 真の Quantum noise に達するには DC readout も要検討