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
f10cm
Laser
MC1
MC3
Mirrors for Main cavities
Initial: Silica
Final: Sapphire
MT1
PRM
PR2
ITMY
ITMX
ETMX
MT2
BS
PR3
SR2
MC2
f37cm
SR3
SRM
大型で良質の単結晶サファイアが必要
2
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（Al
サファイア 2O3)
結晶の光学特性（複屈折）の
揺らぎ
直径25㎝、厚さ10㎝、質量20kgの単結晶
ただしa軸結晶
3
極限的な材料開発が必要
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
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
4
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
採用した装置を開発
=> 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
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光熱偏向法
C-axis f: 100 mm x t: 60 mm
(2005）
AB29
Z=50mm, 53.4 ppm/cm
Y
Z = 50 mm
0
X
Z=40mm, 45.5 ppm/cm
Z = 40 mm
Z=30mm, 47.3 ppm/cm
Z = 30 mm
Z=30mm
4Q
Z=20mm, 46.1 ppm/cm
Z = 20 mm
1064nm
Z=10mm, 54,2 ppm/cm
Z = 10 mm
5
absorption measured at this point
where the 2 beams meet
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干渉計＠東大
Chopped light is
incident on a sample.
120Hz
Laser
l：1064nm
Power：10W
Signal is lockin detected.
Lock-in Amplifier
Chopper
Sample
BS(R=98%)
BPF
LPF
PD
Absorbed light power
Sample temperature change
Drak fringe
Mirror
15kHz
PZT
Refraction Index, length chagne
Optical path length change
PZT driver
Filter
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干渉計の概略
Sample
BS
Laser light
8
Sapphire sample
C-axis rod (diameter: 10mm, length: 40mm)
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Results of Sapphire
Measurement in last year
Measurement in this year
80ppm/cm
87ppm/cm
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
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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)
80,0
absorption à 1064 nm
(ppm/cm)
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
-10,00
0,0
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
X platine (mm)
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
50,00
Sapphire: Preliminary results
10 Samples from CSI have been measured
Name
Absorption [ppm/cm]
AA149
48
47
AC150
229
138
682
687
P401
34
32
65
67
•
•
•
•
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。
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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。
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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。
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Modeling of the signal
Intensity distribution of incident light
Heat Equation
T
c
 P   2T
t
P(r, t ) 
Temperature change
in the sample
T 


2 I 0 i ωat
 2 2
2 
e
exp

x

y
 a 2

πa2
Beam width>>Thermal diffusion length
I 0
 2I 0 i t
 2 2
2 


e
exp

x

y

 a 2
  a 2
ia c a 2
a
a
Quadrature phase
Change of
Index of refraction
Change of optical
path length
Thermal expansion
 dn

2x  2l 
  n  1 T
 dT

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Numerical simulation date
are compared to the
experimental ones.
15
Test Sample: BK7
BK7: Standard glass for optics that has rather
large optical absorption (10-3-10-4 /cm)
Calculated Temperature
Distribution
Radial
Length:40mm, Diameter: 20mm
Temperature change
Max: 0.01℃
0.6mm
0.6mm
End surface: AR coating
Laser beam: diameter: 0.1 ㎜
Axis
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Results of BK7
40mm
10mm
• Two results with
different lengths are
consistent.
• Results
– No sample： -2 pm/W
– BK7(10mm): 80 pm/W
– BK7(40mm): 284 pm/W
No sample
• Optical absorption
10mm: 2230 ppm/cm
40mm: 2300 ppm/cm
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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.
Off
On
Off
On
The experimental data
and the numerical
simulation are consistent.
What causes this discrepancy?
Optical Absorption: 1600 ppm/cm
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