PowerPoint プレゼンテーション

(1)

日本物理学会第68回年次大会 2013/3/26@広島大学

KAGRA 用高性能ミラー評価：

散乱角度分布測定装置の開発

長岡慧

○

_{,武者満,辰巳大輔}

_A

_{,上田暁俊}

_A

_{,三尾典克}

_B

_,

米田仁紀,植田憲一

電通大レーザー研,国立天文台

A

_,東大工

B

(2)

発表概要

• 研究背景

• 原理

• 散乱角度分布測定装置概要

• 光検出回路

• 迷光対策

• 散乱角度分布測定結果

• まとめと展望

(3)

研究背景

重力波検出器 KAGRA

「大型低温重力波望遠鏡 KAGRA」 http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/

KAGRA に必要なミラー

高パワー耐性、

超低損失

が要求される

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

各種ミラーの損失の大きさ

1 ppm 10 ppm 100 ppm 世界記録市販品の限界市販品（100 ppm ~）（20 ppm） 1.5 ppm 損失大損失小 KAGRA

(4)

原理

ミラーの損失の原因

表面での

散乱

内部での

吸収

散乱光の角度分布が異なる

微小散乱光の角度分布を測定できる装置の開発

(10 ppm以下の散乱)

・・・ Mie散乱

・・・ Rayleigh散乱

光の波長以下

光の波長以上

散乱源の大きさ

(5)

散乱角度分布測定装置の要求仕様

10 ppm

全散乱5 μW

500 mW

検出量

3 nW

• 微小信号検出器

• 光学系

• バックグランド光対策

様々な検討と工夫

入射光

500 mW

10 ppm散乱

全散乱

・・・

5 μW

角度分布測定(見込角4 ×10

-3

_{sr )}

散乱光検出・・・ 3 nW

1064 nm光源

（低バックグランド光のために単一横モードが必要）

(6)

散乱角度分布測定装置

1064nm 800 mW レーザーアイソレータ空間フィルタステアリングミラーステアリングミラー測定ステージ被測定ターゲットフォトディテクター集光レンズ

透過率92% 透過率88%

(7)

日本物理学会第68回年次大会 2013/3/26@広島大学 1064nm 800 mW レーザーアイソレータ空間フィルタステアリングミラーステアリングミラー測定ステージ被測定ターゲットフォトディテクター集光レンズ

光学機器の特性評価

使用レーザー(Nd: YVO₄) MIL-Ⅲ-1064nm・800mW-12060566

Changchun New Industries Optoelectronics Tech

ビーム形状

透過率92% 透過率88%

レーザー出射800 mW → ターゲット入射640 mW > 500 mW

OK !

(8)

日本物理学会第68回年次大会 2013/3/26@広島大学 1064nm 800 mW レーザーアイソレータ空間フィルタステアリングミラーステアリングミラー測定ステージ被測定ターゲットフォトディテクター集光レンズ

光学機器の特性評価

f = 15.56 mm ピンホールΦ 25 μm _{w =2.5 mm} 空間フィルタ（Spatial Filter）対物レンズコリメートレンズ -20 0 20 40 60 80 100 120 0 100 200 300 400 500 Profile Number V a lu e in %

出射後

ビームプロファイル

ビーム整形に使用

w =0.6 mm f = 50.2 mm

(9)

散乱角度分布測定装置

測定ステージ

f= 125 mm Φ =50 μm まで集光可能集光レンズフォトディテクターターゲット（回転可能） Φ =30mm, 1”に対応

ターゲットホルダー

フォトディテクター

Φ 5 mm

見込角 4 ×10

-3

_sr

ターゲット

上面図

測定不可領域

ビーム入射点を中心に回転

(10)

光検出回路

PD（フォトディテクター）

Siフォトダイオード S3759(

浜松ホトニクス

)

開口直径

5 mm

光電効率

0.3 A / W

暗電流

40 pA@V

R=0.01 V

トランス・インピーダンス・アンプ回路 Vout =

i

PD

×R

周波数雑音スペクトル

10-7 10-6 10-5 10-4 100 101 102 103 104 105

雑音

電圧

(𝐕

/

𝐇𝐳

)

周波数 (Hz)

トランス・インピーダンス・アンプ回路の雑音源

• 入力換算雑音電圧

387 μVrms

• 入力換算雑音電流

35 μVrms

• 抵抗の熱雑音

45 μVrms

(SNR ・・・ 250)

合計雑音・・・ 0.4 mVrms <<100 mV

R = 100MΩ OPアンプ（TL071） PD

i

PD 1 nA

Vout

100 mV

散乱光

3 nW

赤線シミュレーション結果黒線実測値

(11)

バックグランド光対策

640 mW

全散乱10 ppm

フォトディテクター

検出量 3 nW

バックグランド光

バックグランド光を散乱光以下まで低減する必要性がある

ex. 遮蔽物の設置調整、ビームダンパーの設置

(12)

バックグランド光対策

1064nm 800 mW レーザーアイソレータ空間フィルタステアリングミラーステアリングミラービームダンパービームダンパー測定ステージ被測定ターゲットフォトディテクター集光レンズビームダンパー

遮蔽板

遮蔽箱

筒

NDフィルタをひし形に配置

(13)

バックグランド光対策(遮蔽箱内部)

測定ステージ

ターゲットホルダー

フォトディテクター

集光レンズ

＋ホルダー

遮蔽箱

筒

低散乱植毛シート

(14)

日本物理学会第68回年次大会 2013/3/26@広島大学 5 ppm 4 ppm 3 ppm 2 ppm 1 ppm

0°

90 °

180°

測定ステージ

270°

ターゲットホルダー

180°

90°

270°

0°

測定不可領域（光軸±20°内）

集光レンズ不使用時において

バックグランド光 5 ppm以下を達成！

バックグランド光測定結果

集光レンズ不使用

(15)

日本物理学会第68回年次大会 2013/3/26@広島大学 20 ppm 40 ppm 60 ppm 100 ppm 80 ppm 200 ppm 300 ppm 400 ppm 500 ppm 600 ppm 700 ppm

90°

270°

100 ppm 以下拡大 100 ppm 0° 90° 180° 270° 測定ステージレンズ＋ホルダーターゲットホルダー

10 ppm

バックグランド光測定結果

バックグランド光10 ppm 以上 → 調整、対策が必要

集光レンズ使用

180°

90°

270°

0°

180°

800 ppm （入射ビーム径調節）

(16)

まとめと展望

• 散乱角度分布測定装置の開発

光検出回路の作成、雑音評価

信号ゲイン 3.3×106 V/W 雑音レベル 12 fW ==> 散乱レベル 0.04ppm (等方散乱)

光学機器の特性評価

レーザー光量 640 mW (> 500 mW)

バックグランド光対策、測定

集光レンズを使用しない場合、

5 ppm以下

（目標の10 ppmを満たす）

• 今後の展望

集光レンズ使用時のバックグランド光低減

既知の散乱体による測定装置の評価

ターゲットの散乱角度分布の測定と評価

散乱の波長依存性や入射ビーム径依存性の測定

(17)

付録

𝐼 𝜃 =

𝐼

0

𝜋

4

_𝑑

6

8𝑅

2

_𝜆

4

𝑚

2

− 1

𝑚

2

_{+ 1}

1 + cos

2

𝜃

Raily散乱

Mie散乱

𝐼 𝜃 =

𝐼

0

𝜆

2

𝑖

1

+ 𝑖

2

8𝜋

2

_𝑅

2

(18)

付録

Table 4.1 MIL-Ⅲ-1064nm・800mW-12060566 スペック出力パワー 941.7 mW 波長 1064 nm レーザー動作 CW 伝搬モード TEM00 出射ビーム径水平方向 1433 μm 垂直方向 1355 μm ビーム広がり 1.5 mrad 動作モード TTL＆アナログ制御可能 0 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 60 Po w e r (m W )

measurement times (minute)

10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 100 101 102 103 3V 2V 1V 0.5V RIN (1 /H z 1 /2 ) frequency (Hz)

(19)

Ｆ－ろく

周波数範囲 ノイズゲイン(NG) 雑音帯域(BW)

(20)

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

(21)

PowerPoint プレゼンテーション

KAGRA 用高性能ミラー評価：

散乱角度分布測定装置の開発

長岡慧

,武者満,辰巳大輔

,上田暁俊

,三尾典克

,

米田仁紀,植田憲一

電通大レーザー研,国立天文台

,東大工

発表概要

• 研究背景

• 原理

• 散乱角度分布測定装置概要

• 光検出回路

• 迷光対策

• 散乱角度分布測定結果

• まとめと展望

研究背景

重力波検出器 KAGRA

KAGRA に必要なミラー

高パワー耐性、

超低損失

が要求される

各種ミラーの損失の大きさ

原理

ミラーの損失の原因

表面での

散乱

内部での

吸収

散乱光の角度分布が異なる

微小散乱光の角度分布を測定できる装置の開発

(10 ppm以下の散乱)

・・・ Mie散乱

・・・ Rayleigh散乱

光の波長以下

光の波長以上

散乱源の大きさ

散乱角度分布測定装置の要求仕様

全散乱5 μW

500 mW

検出量

3 nW

• 微小信号検出器

• 光学系

• バックグランド光対策

様々な検討と工夫

入射光

500 mW

10 ppm散乱

全散乱

・・・

5 μW

角度分布測定(見込角4 ×10

sr )

散乱光検出 ・・・ 3 nW

1064 nm光源

散乱角度分布測定装置

透過率92% 透過率88%

光学機器の特性評価

透過率92% 透過率88%

レーザー出射800 mW → ターゲット入射640 mW > 500 mW

OK !

光学機器の特性評価

出射後

ビームプロファイル

ビーム整形に使用

散乱角度分布測定装置

測定ステージ

ターゲットホルダー

フォトディテクター

Φ 5 mm

見込角 4 ×10

sr

上面図

測定不可領域

光検出回路

PD（フォトディテクター）

_{,武者満,辰巳大輔}

_{,上田暁俊}

_{,三尾典克}

_,

_,東大工

_{sr )}

散乱光検出・・・ 3 nW

_sr