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

KAGRA とは？ 基線長 3 km 地下（低地面振動環境） 低温ミラー 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 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

KAGRA に必要な ３種類のミラー レーザー光源 >180W 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

各ミラーでのパワー 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。 Pre-MC Optical Power (kW) Pre-MC 10 = 200W x50 MC in/out 24 = 150W x158 MC end PRM, PR2 0.8 PR3 ITM 400 ETM 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。 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

各ミラーでのパワー密度 パワー密度 の点では 「カテゴリー１」 が一番シビア。 Pre-MC 10 0.046 1500 MC in/out Intra-Cavity Power (kW) Beam Radius (cm) Density (kW/cm2) Pre-MC 10 = 200W x50 0.046 1500 MC in/out 24 = 150W x158 0.25 118 MC end 0.44 39 PRM, PR2 0.8 0.40 1.6 PR3 3.65 0.02 ITM 400 3.51 ETM 4.00 8 　 パワー密度 の点では 「カテゴリー１」 が一番シビア。 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

高パワー密度での問題点 ダメージ閾値 1000 kW/cm2 高いダメージ閾値のミラーが必須！ 1500 kW/cm2 一般的な 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

高パワー密度での問題点 1500 kW/cm2 熱変形 曲率半径 R = 33 m 熱レンズ効果 曲率半径 R = 1.3 m 「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 設計ミラー曲率半径 0.3 m 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

熱変形・熱レンズ 熱吸収 0.2ppm Pre-MC 1500 1667 67 0.3 MC in/out 118 21200 847 Power Density (kW/cm2) Thermal Distortion Lens Designed RoC (meter) Pre-MC 1500 1667 67 0.3 MC in/out 118 21200 847 flat MC end 39 64100 2560 40 PRM, PR2 1.6 1562500 62500 304 -2.76 PR3 0.02 125000000 5000000 24.574 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

低損失ミラーの必要性（２） 「散乱量 100 ppm の場合」 ミラー表面での散乱 1 Watt Cavity 内パワー 10 kW 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

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 カテゴリー１の 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 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

低損失ミラー 開発戦略 低散乱量をきちんと測定することが重要！ 散乱 <10ppm 熱吸収 <0.2ppm 低損失ミラー　開発戦略 散乱 <10ppm 熱吸収 <0.2ppm 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！ 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

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 A sample mirror is here.

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 滑らかに研磨された基板 誘電体多層膜をコート 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？ 総散乱量 = 1ppm  d = 0.85 Angstrom s 相関距離 Relationship between Total Integrating Scatter (TIS) and micro-roughness (d) l = 1064 nm 総散乱量 s 相関距離 総散乱量 = 1ppm  d = 0.85 Angstrom

Non-coating Super-polished substrate Micro-roughness <0.75 Angstrom RMS

25 mm 25 mm

ミラー中心の 10mm 角 平均値　1.5ppm

市販ミラーの散乱量 Scattering (ppm) 27 26 44 126 146 133 279 Maker Product# Refrectivity Angle RoC Scattering (ppm) 1 Newport 10CM00SR.50T IBS FS >99.97% flat 27 2012/2/9 2 Showa Optronics Co. LTD 2010 年購入 ??? 99.998% 2012/2/13 3 Advanced Thin Films CRD1064-1025-100 99.999% 1m, concave 26 2012/2/12 4 Lattice Electro Optics BS-1064-Rs50-45-UF-2038 52% 45 44 2012/2/15 CVI Melles Griot Y1S-1025-0 >99.99% 5 6 7 8 9 10 PR1-1064-99-IF-2037-C EB BK7 99% flat w/ wedge 126　 2012/2/10 11 Y1-2037-45S >99.5% 146　 2012/2/18 13 14 15 ALTECHNA 99.80% 133 2012/2/14 16 17 18 19 20 NEW FOCUS 5104 Pyrex >99% 0-45 279

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

End

Fundamentals Thermal lens which has a curvature radius of R is expected by the following equations. Heating laser power density P/pw2

Deformation and lensing coefficient The effect of thermal lensing is larger than that of thermal distortion. distortion Fused Silica lensing Sapphire 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

Pre Mode Cleaner Pre 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 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

Mode Cleaner Mode 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 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

Mode Cleaner Mode Cleaner Free Spectrum Range 5.625 MHz Finesse (intra power gain) 500 (158) 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 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

Arm Cavity Pre 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 Finesse (intra power gain) 1550 (1000) 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 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

産総研：計量標準総合センター 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

タイトル 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都

<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 高パワー密度での問題点 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 　破壊される。 熱変形 熱レンズ効果 2012/3/22 日本天文学会 2012年春季 ＠龍谷大学、京都