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.

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1 2010 年度 TAMA 開発研究計画 国立天文台 辰巳大輔 ICRR, Univ. of Tokyo

2 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

3 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。

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7 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

8 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

9 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）

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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 : 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 : (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

16 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?

17 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

18 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