Development of laser interferometric high-precision …vishnu.phys.h.kyoto-u.ac.jp/Atami2007/2008-gassyuku_niwa.pdfAOM Laser ν+ f 2 ν+ f 1 ν ヘテロダイン型マッハ・ツェンダー干渉計

JASMINEJASMINE--Geometry Monitor WGGeometry Monitor WG1

丹羽佳人(京大人環・国立天文台)

Development of laser interferometrichigh-precision geometry monitor for JASMINE telescope

Title


1. Motivation - 望遠鏡ジオメトリモニターの必要性 -

2. 測距装置 - ヘテロダイン型マッハ・ツェンダー干渉計

3. 開発状況 -多自由度(Length,Pitch,Yaw)同時測定

4. future work

5. summary

Outline

ヘテロダイン型レーザー干渉計を用いた複数自由度の微小変動量測定

-感度実証実験-


•JASMINE PROJECT

1. Motivation

(Japan Astrometry Satellite Mission for INfrared Exploration)

⇒近赤外線による位置天文観測を衛星を用いて行う計画

•星の天球上での位置•星までの距離•星の天球上での速度(固有運動)

o 位置天文観測

５成分=位置天文パラメータを観測


JASMINEの目標3万光年現在の星図

300光年

近赤外線（Kw-band:1.5μm～2.5μm)でバルジ内のおよそ100万個の星の星図を作成

o JASMINEの観測領域

はじめて我々の銀河系の中心に到達

1. Motivation


o JASMINEのサイエンス目標

位置天文パラメータ

⇒星の軌道

⇒力学構造(重力ポテンシャルの場)

⇒天体の進化

はじめて我々の銀河系の構造が明らかになる

•連星系や惑星系•重力レンズの観測

•基礎物理（一般相対論の検証）

o その他のサイエンス

1. Motivation


sunearth

telescope

θ

年周視差 θ

JASMINEで観測する年周視差の大きさ 10μarcsec

o JASMINEの観測原理年周視差 ⇒星までの距離横断速度 ⇒固有運動の情報

1. Motivation


年周楕円

JASMINEで観測する年周視差の大きさ 10μarcsec

o JASMINEの観測原理年周視差 ⇒星までの距離横断速度 ⇒固有運動の情報

近傍の星遠方の星天頂付近の星固有運動している星

1. Motivation


o 年周視差の豆知識

•太陽系に一番近い恒星ケンタウルス座α星 0.742”7番目シリウス 0.379”

•チコ・ブラーエ(1546-1601) 史上高の肉眼観測者年周視差の測定に挑戦⇒失敗

•1838年ベッセルが初めて年周視差を測定白鳥座61伴星 0.29”

*ちなみに年周光行差(20.5”)は1728年にブラッドレーが測定

•地上では大気の揺らぎで0.01”の精度が限界

•1989年ヒッパルコス衛星打ち上げ 0.001”の測定に成功

•次世代衛星で狙うは0.00001”の測定

1. Motivation


1. Motivation

観測領域の全体像

⇒スナップショット(小フレーム)をつなげて観測領域の全体写真(大フレーム)を作成

5年間で約3000枚作成⇒星像中心の動きを読み出す


o観測誤差

•ランダム誤差 ⇒星の数を稼ぐ ←バルジは星が多いのでOK

•系統誤差 ⇒とにかく抑えるしかない(制御、補正 or 受動 )

も大きな系統誤差の要因=小フレームの拡大率変動⇒星が意図せず動いてしまう


1. Motivation

•望遠鏡に対するrequirement

o 望遠鏡の各コンポーネントの変形

⇒各小フレームの拡大率変動

o JASMINEの目標精度

拡大率 3.3×10-11

以内が必要

JASMINE 望遠鏡

～1m

～1m

～0.3m

主鏡

副鏡

赤外線検出器

⇒角度変動～10prad⇒長さ変動～10pm


•対処方法

1. Motivation

o 熱構造設計o 材料o 熱制御etc. レーザー干渉計で安定度を監視する

それでもやはり10pm～100pmほど動く


I. 複数自由度を矛盾なく測定できることを実証

II. 干渉計で10時間のRMS値で10pmの精度で測定できることを実証

III. 1mスケールの構造体の安定度を10時間のRMS値で10pm の精度で実測

•望遠鏡ジオメトリモニターの開発の流れ

レーザー干渉計を用いて鏡の動きを3自由度で同時に測定する

•現在進めている実験の目的

Ⅰの実証

1. Motivation


o マイケルソンレーザー干渉計による変位検出

干渉光の電場の強度変化

Mirror

Mirrorδx

光の位相情報を用いて変位情報を読み出す

Laser

Photo Detector

δ

I

Reference

2.測距装置

•測距信号検出方式


o Cavityを用いた長さ変動検出 (PDF法)

さらに高精度で変位情報を検出可能

IPhoto Detector

EOM

干渉光の電場の強度変化

δ

2.測距装置

δx


δx

Laser

ν+ f2

ν+ f1ν

ヘテロダイン型マッハ・ツェンダー干渉計

うなりの位相変化δφを測定し、変位量δx を検出

2.測距装置

f1-f2 のうなり

Reference信号

位相比較

AOM

AOM

o ヘテロダイン干渉法


測定レンジ大 ≧1μm -突発的なノイズに耐性有光路長制御なしで信号検出 -複数同時測定が容易ミスアラインメントに強い -長期間測定に有利

•ヘテロダイン干渉法の利点

位相検出方法

2.測距装置

Measurement sig.

Reference sig.

Reference Sig.を干渉計から取得同相雑音(AOM雑音etc.)の除去

DAQ

JASMINEに有利


•多自由度測定への応用

o 鏡の3自由度の動きをモニター(Length , Pitch , Yaw)

⇒4箇所での長さ変動を測定⇒3自由度の変位に読み替える

Length

PitchYaw

2.測距装置


•Reconstruction matrix M

o 測定自由度とセンサーの数が同数

=LPY

L1L2L3

P1P2P3

Y1Y2Y3

d1d2d3

= LPY

L1L2L3L4

P1P2P3P4

Y1Y2Y3Y4

d1d2d3d4

M

L1L2L3

P1P2P3

Y1Y2Y3

M

L1L2L3L4

P1P2P3P4

Y1Y2Y3Y4

M=擬逆行列

o 測定自由度よりセンサーの数が多い

2.測距装置

=I

=I

M=逆行列


•3自由度ジオメトリーモニターの光学系配置Top view

Side view

測距で使用する光路全長=～2.5m

2.測距装置


Target mirror

Laser bench(0.3m×0.3m)

Optical bench (0.6m×0.6m)

５組のマッハ・ツェンダー干渉計をセットアップ

2.測距装置


Sig1

Sig2

Sig3

Sig4

2.測距装置

Sig1

Sig2

Sig3

Sig4


•PZT駆動アンプ•PZT Matrix•PLLフィルター•デジタル位相比較器•DSG•レーザードライバーetc.

•制御系

2.測距装置


•デジタル位相比較器

RSフリップフロップによるエッジトリガ形位相比較器を使用

入力信号⇒

基準信号⇒

出力信号⇒

位相差 - 出力特性

[rad]0 2π 4π 6π 8π

[V]

10π

⇒ ⇒

2.測距装置

位相差情報


•多自由度測定の検証

①4つのヘテロダイン干渉計を同時に動作

②3自由度の動作を分離して測定

③Reconstructionの精度 (Cal誤差、カップリング)評価(⇒JASMINEの要求を満たせているか比較)

3.開発状況


•JASMINE requirement

JASMINEの主鏡をモニターしていると考えると…

reconstruction

Length Pitch Yaw

1±0.23 ≦0.063 ≦0.063

1±0.15 ≦1.34

1±0.15≦1.34

≦1.34

≦1.34

Length

Pitch

Yaw

各自由度の変位伝達関数に対する要求

⇒Cal誤差 : 15%以下⇒カップリング : 6.3%以下


①4ch 同時測定

1ch

3ch

2ch

4ch

Ref.

干渉計信号～50KHz デジタル位相比較器

4chで同時に変位測定ができていることを確認

3.開発状況

o Length方向にPZTで三角波を入力⇒


②3自由度動作の分離

o 各自由度にPZTで同時に正弦波を入力(L,Y,P)=(1Hz,2.3Hz,3.3Hz)

⇒1ch～4chで測定

3自由度の動きの分離に成功

3.開発状況


入力変動

o L方向にPZTで正弦波を入力

Length

Pitch

Yaw

③Reconstructionの精度評価

⇒1ch～4chの変位信号から3自由度の動きをreconstruct

3.開発状況


reconstruction

Length Pitch Yaw

Length 0.98 0.027 0.027

Pitch 0.012 0.90 0.017

Yaw 0.0099 0.0096 0.91

⇒Cal誤差 : 15%以下⇒カップリング : 4.3%以下

o 各自由度の変位伝達関数を測定

JASMINEの要求精度を満たすレベル

3.開発状況


(1ch,2ch,3ch,4ch)=(-2.0,17.0),(17.5,2.5),(-15.5,-4.0),(4,-14.5)

(1ch,2ch,3ch,4ch)=(-2.37,15.3),(17.5,4.01),(-16.0,-3.69),(2.13,-14.2)

•Cal値(橙)

•幾何情報値(黒)

-20 -10 10 20

-20

-10

10

20

1ch 2ch

3ch 4ch

o 幾何情報による Reconstruction Matrix の決定

3.開発状況


reconstruction

L P Y

測定値 JASMINE 測定値 JASMINE JASMINE

≦0.063 ≦0.063

≦1.34

1±0.15

1±0.15

≦1.34

1±0.23

≦1.34

≦1.34

測定値

L 0.97 0.040 0.043

P 0.037 0.90 0.039

Y 0.0082 0.042 0.85

o Reconstruction Matrix を幾何で決定した場合

それでもJASMINEの要求レベルを満たしている

3.開発状況


•JASMINEモニターの要求感度と雑音レベル

Requirement 雑音レベル

位相雑音

[rad]10-4～10-3 [/10h] ～10-10 [/1day]

～10-11 [/1day]～5×10-5[1/10h]

水晶発振器

Rb発振器

デジタルロックインアンプ

周波数雑音[δf/f]

10-11～10-10 [/10h] ～7.4×10-14[/8day] ヨウ素安定化レーザー

(産総研波長標準グループ)

温度ドリフト[m]

10-11～10-10 [/10h] ～10-11 [/m][/10h] 温度安定度1mkでULE10-8[m/K]を使用

•感度実証実験(来年度実験予定)干渉計でJASMINEの目標感度で測定が可能であることを実証

4.Future work


o 位相比較器の位相雑音レベル

～5×10-5 rad ⇒ 5 pmに相当 JASMINEの要求を満たす

4.Future work


•Reference信号の位相安定化

AOM

δx

AOM

Laser

ν+ f2

ν+ f1ν

ヘテロダイン型マッハ・ツェンダー干渉計

f1-f2 のうなり

SG1～SG4

Ref

f1-f2 のうなり

Reference信号取得の干渉計を制御 ⇒AOMの雑音を抑える

Reference 発振器

LF

4.Future work


o Reference信号の位相安定度

～10-3 rad ⇒ 100 pmに相当 JASMINEの要求まであと1桁

4.Future work


4.Future work

o 現セットアップでの1chの変位測定データ⇒時系列データ

⇒変位 5×10-6 m⇒温度勾配 1.2k

干渉計側の光路長変動


⇒パワースペクトルデータ

温度変動に伴う光路長変化正直わからない

4.Future work


•感度実証実験のための光学系

4.Future work


•Future work

o JASMINE PROJECT

o 望遠鏡モニターの必要性⇒レーザー干渉計型望遠鏡ジオメトリーモニター

o 多自由度測定の検証○①4つのヘテロダイン干渉計を同時に動作○②3自由度の動作を分離して測定○③Reconstructionの精度評価

o 感度実証実験(来年度実験予定)干渉計でJASMINEの目標感度で測定が可能であることを実証

•Summary

5. Summary

Documents

Development of laser interferometric high-precision …vishnu.phys.h.kyoto-u.ac.jp/Atami2007/2008-gassyuku_niwa.pdfAOM Laser ν+ f 2 ν+ f 1 ν ヘテロダイン型マッハ・ツェンダー干渉計