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Sapphire for KAGRA. 2012/7/7 東京大学大学院工学系研究科 附属光量子科学研究センター 三尾典克. Core optics of KAGRA. KAGRA は、鏡を冷却するため、サファイアを鏡の基材として用いる. ETMY. f 10cm. Mirrors for Main cavities Initial: Silica Final: Sapphire. Laser. MC1. MC3. ITMY. MT1. PRM. PR2. ITMX. ETMX. MT2. BS. PR3. SR2. MC2. f 37cm. - PowerPoint PPT Presentation
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Sapphire for KAGRA
2012/7/7東京大学大学院工学系研究科附属光量子科学研究センター
三尾典克
Laser MC1
MC2
MC3 PRM PR2
PR3BS
SR3
SR2
SRM
ITMX
ITMY
ETMX
ETMY
MT1
MT2
f37cm
f10cm
Core optics of KAGRA
Mirrors for Main cavitiesInitial: Silica
Final: Sapphire
2
KAGRA は、鏡を冷却するため、サファイアを鏡の基材として用いる
大型で良質の単結晶サファイアが必要
低温鏡の開発
• 温度を下げると物質の性質が変わる。• 常温( 300K )で使用される鏡の材料
(合成石英)が利用できない。• 光学的に透明な単結晶が望ましい。
酸化アルミニウム( Al2O3)
直径 25 ㎝、厚さ 10 ㎝、質量 20kg の単結晶
結晶の光学特性(複屈折)の揺らぎ
サファイア
極限的な材料開発が必要3
ただし a 軸結晶
3
Requirements for Sapphire
Sapphire• C-axis mirrors (f25cm x t15cm) が必要 .
– 現状で直径 22cm 、厚さ 15cm が最大• 吸収係数 : < 20 ppm/cm
– 現状では 50-100 ppm/cm?– 常温干渉計では合成石英を用いるが、吸収係
数は 1ppm/cm 以下になっている
4
結晶の評価を行うため、吸収係数の測定装置を立ち上げた
微小吸収係数の測定
• 微小光学吸収– 吸収した光による温度変化を測定
• 温度計を用いる• 温度変化による屈折率変化を測定
– 光路長変化=> 干渉計
– レーザービームの偏向=> 光熱偏向法
• 熱収縮による変化– 音波の発生
=> 光音響測定法
5
採用した装置を開発
光熱偏向法
6
(2005 )AB29
Z = 10 mm
Z = 50 mm
Z = 20 mm
Z = 30 mm
Z = 40 mm
5
Y
X0
C-axis : f 100 mm x t: 60 mm
Z=10mm, 54,2 ppm/cm
Z=20mm, 46.1 ppm/cm
Z=30mm, 47.3 ppm/cm
Z=40mm, 45.5 ppm/cm
Z=50mm, 53.4 ppm/cm
Z=30mm
1064nm
4Q
absorption measured at this point where the 2 beams meet
Lock-in AmplifierLock-in Amplifier
PZT
PD
Mirror
Sample
Laserl : 1064nmPower : 10W
120Hz
Chopper
BS(R=98%)
BPF
PZT driver
LPF
Filter
15kHz
Chopped light is incident on a sample.
Drak fringeAbsorbed light power
Sample temperature change
Refraction Index, length chagneOptical path length change
干渉計@東大
Signal is lock-in detected.
7
干渉計の概略
Laser light
8
BS
Sample
Sapphire sample
9
C-axis rod (diameter: 10mm, length: 40mm)
Results of Sapphire
10
80ppm/cm 87ppm/cm
Measurement in last year Measurement in this year
同じサンプルで測定結果は再現されている。
校正の問題が残っているので絶対値の不確かさの評価が不十分
Sapphire I
comparison between the 2 ways of measuring the volume absorption along the sample "I":blue : one way
green : the other way (inverted values)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
-10,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00
X platine (mm)
abso
rpti
on
à 1
064
nm
(p
pm
/cm
)
LMA で、同時に作成したサンプルの測定を行った=>ほぼ一致している
AA149 48 47
AC150 229 138 682 687
P401 34 32 65 67
Name Absorption [ppm/cm]
10 Samples from CSI have been measured
Sapphire: Preliminary results
• AA149 と P401 は小さな吸収係数を実現した。
• AC150 はとても大きな値を示した?• P401 場所により 2 倍違う?• この結果は製造者である CS に連絡した。 12
問題点
• 現状 製造者が CSI に限られている。大きさの制限がある。吸収係数の値も不十分。
• 今後1. 大きな C-axis 鏡の実現 (d:25cm x t:15cm) :中国
との連携。2. 品質の改善:吸収の原因が不明。3. 大型結晶による鏡面研磨の性能評価: Zygo がテス
ト研磨を行っている。4. 物性的な側面から掘り下げる必要があるかもしれな
い。
13
ご指導・ご協力をお願いいたします。ありがとうございました。
14
1515
Modeling of the signal
Heat Equation Intensity distribution of incident light
TPt
Tc 2
22
2i
20 2
expe2
),( yxaπa
ItP tωar
Temperature change in the sample
2
0222
i20 2
expe2
i a
Iyx
aa
I
cT
a
t
a
a
Change of optical path length Tn
T
nlx
1d
d22
Change of Index of refraction Thermal expansion
Beam width>>Thermal diffusion length
15
Quadrature phase
Numerical simulation date are compared to the experimental ones.
1616
Test Sample: BK7
16
Calculated Temperature Distribution
Laser beam: diameter: 0.1 ㎜
0.6mm
0.6mm
Temperature changeMax: 0.01℃
Length:40mm, Diameter: 20mm
End surface: AR coating
Axis
Radial
BK7: Standard glass for optics that has rather large optical absorption (10-3-10-4 /cm)
• Two results with different lengths are consistent.
• Results– No sample : -2 pm/W– BK7(10mm): 80 pm/W– BK7(40mm): 284 pm/W
• Optical absorption10mm: 2230 ppm/cm40mm: 2300 ppm/cm
No sample
10mm
40mm
Results of BK7
17
Calibration
Comparison with another method• A thermistor is attached on a lateral surface of the BK7
sample in order to measure the temperature change of the sample.
• The difference between the gradient of the temperature change is almost independent of the boundary condition.
18Optical Absorption: 1600 ppm/cm
The experimental data and the numerical simulation are consistent.
On
OffOn
Off
What causes this discrepancy?