Future prospects of the op-cal levita-on experiment ( ) - PowerPoint PPT Presentation

Future prospects of the op-cal levita-on experiment ( 光学浮上実験の今後の展望 ) KAGRA observatory, Ins-tute for cosmic ray research, University of Tokyo NAGANO Koji ( 長野 晃士 ) Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 1

Outline • Introduc-on • Schedule • Applica-ons of op-cal levita-ons • Experimental setup design proposal • Problems • Conclusion • Summary Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 2

Introduc-on • For gravita-onal-wave (GW) detec-ons or studies of the macroscopic quantum mechanics, extremely low noise systems are required. • About the seismic noise reduc-on, suspension systems are oVen used. • However, the suspension systems induce addi-onal thermal noises. K. Komori, Master thesis, 5-mg mirror University of Suspension system of KAGRA (Cryogenic part) suspension Tokyo (2016) E. Hirose+, CQG (2014) Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 3

Introduc-on • Suspension thermal noise is one of the major noise sources of interferometers which close the sensi-vity window reaching the standard quantum limit (SQL). • Reaching SQL is a kind of milestone of the test of the macroscopic quantum mechanics . • In addi-on, if we can demonstrate to beat SQL, that is, to reduce the quantum noise, it leads to improvement of the sensi2vity of GW detectors. Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 4

Introduc-on • The suspension thermal noise can be ex-nguished when masses are levitated with op-cal radia-on pressure instead of suspended with mechanical wires. • This technique is called as an op-cal levita-on (OL). radia-on pressure fluctua-on tension gravity gravity Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 5

Introduc-on 光学浮上が熱い Plank mass (22 ug) sensitivity(m/rtHz) A. Ashkin+: Appl. Phys. Lett. 19, 283 (1971) Y. Arita+: Nature Communications tweezer / 20um / 10ng? / ?? m/rtHz 4, 2374 (2013) tweezer / 4.4um / 0.1ng? / 40K, 1e-10 m/rtHz, gyroscope -10 S. Singh+: PRL 105, 213602 (2010) cavity+tweezer / 60um / 40ng / 1e-10m/rtHz N. Kiesel+: PNAS 110, 14180 (2013) -11 cavity / 0.15um / 10fg? / 64K, 4e-12 m/rtHz A. Arvanitaki, A. A. Geraci : PRL 110, 071105 (2013) -12 cavity / 0.2~75um / fg~pg / ~1e-14m/rtHz, GW G. Guccione+: arXiv:1307.1175 cavity / 2mm / 0.3mg / ?? m/rtHz R. Kaltenbaek+ : Experimental Astronomy 34, 123 (2012) cavity / 0.1um / 10fg? / ~1e-12m/rtHz?, MAQRO -13 T. Li+: Science 328, 1673 (2010) T. Li+: Nature Physics 7, 527 (2011) tweezer / 1um / 1pg / 1.5mK, 1e-13 m/rtHz, Brownian velocity mass scale Y. Michimura, 2 fg pg ng ug mg Seminar slide Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 6

Introduc-on 光学浮上が熱い Plank mass (22 ug) sensitivity(m/rtHz) A. Ashkin+: Appl. Phys. Lett. 19, 283 (1971) Y. Arita+: Nature Communications tweezer / 20um / 10ng? / ?? m/rtHz 4, 2374 (2013) tweezer / 4.4um / 0.1ng? / 40K, 1e-10 m/rtHz, gyroscope -10 S. Singh+: PRL 105, 213602 (2010) cavity+tweezer / 60um / 40ng / 1e-10m/rtHz N. Kiesel+: PNAS 110, 14180 (2013) -11 cavity / 0.15um / 10fg? / 64K, 4e-12 m/rtHz A. Arvanitaki, A. A. Geraci : PRL 110, 071105 (2013) -12 cavity / 0.2~75um / fg~pg / ~1e-14m/rtHz, GW G. Guccione+: arXiv:1307.1175 cavity / 2mm / 0.3mg / ?? m/rtHz R. Kaltenbaek+ : Experimental Astronomy 34, 123 (2012) cavity / 0.1um / 10fg? / ~1e-12m/rtHz?, MAQRO -13 T. Li+: Science 328, 1673 (2010) T. Li+: Nature Physics 7, 527 (2011) tweezer / 1um / 1pg / 1.5mK, 1e-13 m/rtHz, Brownian velocity mass scale Y. Michimura, 2 fg pg ng ug mg Seminar slide Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 7

Introduc-on • So far, two types (or more?) of OLs for mg- scale mirrors have been proposed. Y. Kuwahara, Master thesis, University of Tokyo (2016) sandwich type tripod type Y. Michimura+, arXiv G. Guccione+, PRL (2017), Opt. Express (2013) (under review) Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 8

なし 構成の復元力 自由度と安定性 模式図 重力 光バネ 自由度 水平(x,y)並進 鉛直(z)並進 x, y軸回転 z軸回転 復元力 サンドイッチ Y. Kuwahara, Master thesis defense , University of Tokyo (2016) Ø 浮上鏡の曲率中心の運動（並進 3 自由度，回転 3 自由度） z z z z o dx dF d β β β mg dF 修士論文審査会 2016/01/27 16 Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 9

透過率 Fabry-Pérot (FP)共振器 透過光 共振 Y. Kuwahara, Master thesis defense , University of Tokyo (2016) • 2 枚の鏡を向かい合わせにした装置 • 共振器長 L が λ /2 の整数倍のとき共振 • 光軸は 2 つの曲率中心を通る F = • フィネス FSR/FWHM 1 L 0.8 Transmittance FWHM 0.6 0.4 FSR 0.2 LASER 0 0 λ /2 λ 3 λ /2 λ Cavity length L 共振器長 L 修士論文審査会 2016/01/27 17 Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 10

光バネ 可動 固定 共振器内パワー ダンピング 反バネ/ アンチダンピング 正バネ/ Y. Kuwahara, Master thesis defense , University of Tokyo (2016) • 共振器長を共振点からずらした位置 (z=0) に制御 → 変位に対して共振器内パワーが変化 → 「光バネ」 z 1.2 o 1 Intracavity Power 0.8 z =0 0.6 0.4 0.2 Red-detuned � Blue-detuned � z 0 � 3 � 2 � 1 0 1 2 3 mg<F rad mg ＝ F rad mg>F rad Normalized Detuning � / � 修士論文審査会 2016/01/27 19 Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 11

模式図 構成の復元力 自由度と安定性 なし 重力 光バネ 自由度 水平(x,y)並進 鉛直(z)並進 x, y軸回転 z軸回転 復元力 サンドイッチ Y. Kuwahara, Master thesis defense , University of Tokyo (2016) Ø 浮上鏡の曲率中心の運動（並進 3 自由度，回転 3 自由度） z z z 済 z o dx dF d β β β mg dF 修士論文審査会 2016/01/27 20 Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 12

回転運動の安定性 安定性には無関係 浮上鏡は下に凸が必要 慮 Y. Kuwahara, Master thesis defense , University of Tokyo (2016) z 軸回転 • 曲率中心まわりの x, y 軸回転 • ビームスポット位置は不変 → 重力のみ考 z z mg d β d β mg 修士論文審査会 2016/01/27 21 Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 13

構成の復元力 光バネ 自由度と安定性 模式図 なし 重力 自由度 水平(x,y)並進 鉛直(z)並進 x, y軸回転 z軸回転 復元力 サンドイッチ Y. Kuwahara, Master thesis defense , University of Tokyo (2016) Ø 浮上鏡の曲率中心の運動（並進 3 自由度，回転 3 自由度） z z z 済 済 済 z o dx dF d β β β mg dF 修士論文審査会 2016/01/27 22 Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 14

水平並進の安定性～サンドイッチ構成～ 曲率中心を通る直線 光軸: 全体で復元力となる 赤 オレンジ 水平並進変位 浮上鏡の曲率中心の Y. Kuwahara, Master thesis defense , University of Tokyo (2016) z z z z z z パワー P: 小 曲率中心間距離 a: 小 ビームスポット位置変化 : 大 → 復元力 dF∝P/a: 大 ed mirror dx dx dF dF β β β dF dF パワー P: 大 曲率中心間距離 a: 大 ビームスポット位置変化 : 小 → 反復元力 dF∝P/a: 小 修士論文審査会 2016/01/27 25 Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 15

サンドイッチ x, y軸回転 重力 光バネ 構成の復元力 復元力 z軸回転 水平(x,y)並進 鉛直(z)並進 模式図 自由度 自由度と安定性 なし Introduc-on Ø 浮上鏡の曲率中心の運動（並進 3 自由度，回転 3 自由度） z ? z z 済 済 済 z o dx dF d β β β mg dF Y. Kuwahara, Master thesis defense , University of 修士論文審査会 2016/01/27 22 Tokyo (2016) Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 16

Introduc-on • Advantages and disadvantages of the two type OL: Y. Kuwahara, Master thesis, University of Tokyo (2016) • Since the sandwich type OL has not yet been experimentally demonstrated, we have to do it. – According to rumor, the tripod type OL has been demonstrated already in ANU. However, it was just rumor. Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 17

道村さんによる ANU の現状報告 • 結論から言うと、まだ浮上には成功してない。 • ハイパワーを入れると熱的効果なのかロックが 安定にかからない。 • 熱の影響なのか、制御しなくてもロックがかかる ことも。その符号が 3 つの共振器で違っていたり してよくわからないことになっていたりする。 • 今使っているのは φ3mm 、厚さ 0.1mm 、曲率 50cm くらいの鏡で、何枚か製作に成功している。 • 最初は浮上鏡をヘキサポッドに置くなどしてアラ インメントが取れるようにしていたが、安定性の 問題から調整自由度を減らしていっている。 Extended Uchiyama Lab. mee-ng (University of Toyama, Aug. 4th, 2017) 18