[論文レビュー] Characterization of thermal effects in the Enhanced LIGO Input Optics

K. L. Dooley, M. A. Arain+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2011

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 16被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、初期LIGOの4倍にあたる30 Wのレーザー出力で安定して動作するように設計された、強化LIGO入力光学系サブシステムの設計および性能を提示している。熱的影響、たとえば熱レンズ効果、ドリフト、光学的損失を最小限に抑えることで実現された。このシステムは、ほとんど無視できるほどの熱歪みで近似的に理想に近い性能を示し、Advanced LIGOの150 W運用へのスケーラビリティに自信をもって裏付けた。

ABSTRACT

We present the design and performance of the LIGO Input Optics subsystem as implemented for the sixth science run of the LIGO interferometers. The Initial LIGO Input Optics experienced thermal side effects when operating with 7 W input power. We designed, built, and implemented improved versions of the Input Optics for Enhanced LIGO, an incremental upgrade to the Initial LIGO interferometers, designed to run with 30 W input power. At four times the power of Initial LIGO, the Enhanced LIGO Input Optics demonstrated improved performance including better optical isolation, less thermal drift, minimal thermal lensing and higher optical efficiency. The success of the Input Optics design fosters confidence for its ability to perform well in Advanced LIGO.

研究の動機と目的

• 初期LIGOが7 W入力パワーで性能に制限を受けていた、高パワー光学系における熱的副作用を解消すること。
• 30 Wでの安定動作が可能な、強化LIGO用にアップグレードされた入力光学系を設計および実装すること。
• EOM、モードクリーナー、ファラデーイソレータなどの主要部品における、熱的光学効果（熱レンズ効果、ドリフト、隔離度、コーティング吸収）を同定すること。
• 強化LIGOの実測データをもとに、150 Wで動作するAdvanced LIGOにおける性能を予測すること。
• 将来の重力波検出を支援するため、高パワー運用下での光学的効率および安定性を確保すること。

提案手法

• 熱負荷を低減し、熱的補償を強化した改良型電気光学モジュレータ（EOM）の設計および製造。
• 熱勾配を低減し、より高い蓄積パワーを管理できるように、ファイネスを520に低下させ、基板を大型化したモードクリーナーの最適化。
• 熱的偏光分解を補償するため、イン・サイトで調整可能な1/2波長板とDKDP結晶を備えたファラデーイソレータの採用。
• 17,000時間以上にわたる長時間テストを30 Wで実施し、安定性、損傷閾値、熱レンズ効果を評価。
• RTPやEOMなどの部品における熱レンズ効果および透過損失を、最大160 Wで測定し、Advanced LIGOの条件に外挿する。
• 強化LIGOの実測データを用いて、Advanced LIGOにおける熱的効果（ビーム指向のずれ、隔離度の低下など）をモデル化・予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高精度干渉計光学系において、レーザー出力が増加するに従い、熱レンズ効果やドリフトなどの熱的効果はどのようにスケーリングするか？
• RQ2 EOM、モードクリーナー、ファラデーイソレータにおける熱歪みは、部品の再設計および材料選定によってどれほど軽減可能か？
• RQ3 強化LIGO入力光学系が30 Wで示した性能は、Advanced LIGOの150 W運用レベルでの挙動を信頼性を持って予測できるか？
• RQ4 高パワー運用下における光学部品のコーティング吸収およびボリューム吸収は、熱負荷にどのような影響を及えるか？
• RQ5 熱的効果は光学的隔離度およびビーム指向安定性にどのような影響を及えるか。また、イン・サイトでの補正は可能か？

主な発見

• 強化LIGO入力光学系は、30 Wでの継続的運用を17,000時間以上にわたり実施したが、測定可能な熱レンズ効果、劣化、損傷は認められなかった。
• RTPにおける160 Wまでの熱レンズ効果による相対的パワー損失は0.4%未満であり、高パワー部品における熱的影響がほとんどないことを示している。
• ファラデーイソレータでは、出力パワーの増加に伴い隔離比が0.02 dB/Wずつ低下し、150 Wで3 dBの損失に達するが、イン・サイトで調整可能な1/2波長板により補正可能である。
• 150 Wでのピーク熱的ビーム指向ずれは480 µradに達し、およそビーム発散角と同等であった。これにより、Advanced LIGOではビーム安定化が必要となった。
• Advanced LIGOのモードクリーナーにおけるコーティング吸収は0.5 ppmと測定され、強化LIGOの4倍低い値であり、これにより入力パワーが高くなっても熱負荷が低減された。
• モードクリーナーにおける熱レンズ効果による出力ビームモードの変化は0.5%未満であり、高パワー運用下でも光学的性能への影響が最小限であることが確認された。