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Frequency-Dependent Squeezed Vacuum Source with Filter Cavity Control using Coherent Control Sidebands for Gravitational-Wave Detectors

有冨, 尚紀 東京大学 DOI:10.15083/0002006632

2023.03.24

概要

論文審査の結果の要旨
氏名

有冨

尚紀

本論文は9章からなる。第1章は、イントロダクションである。第2章では、一般相対
性理論から理論的に重力波を導出し、重力波の波源となる主な天体現象が紹介され、
Advanced LIGO や Advanced Virgo 重力波望遠鏡による連星ブラックホール合体、及び
連星中性子星合体からの重力波の観測の歴史と、将来の国際的重力波観測ネットワーク
について述べられている。第3章では、レーザー干渉計型重力波望遠鏡の動作原理と光学
的構成、及び、高感度化のための技術的工夫が解説されている。さらに、レーザー干渉計
型重力波望遠鏡の感度を制限する主な雑音源として、光の量子雑音、地面振動雑音、熱雑
音が説明され、現在の各重力波望遠鏡で目標とされる感度曲線が、これらの雑音要素に分
解された形で紹介されている。第4章では、まず、光の量子状態に関する理論的解釈に続
き、特に本論文で核となる光の Squeezed 状態の性質、Optical Parametric Oscillator
(OPO)を用いたその創出方法、Squeezing Angle を制御する Coherent Control が解説さ
れると同時に、この Squeezed 状態を悪化させる主な原因を紹介している。第5章では、
実際のレーザー干渉計型重力波望遠鏡の構成における光の量子雑音の詳細な性質が説明
されている。特に、Ponderomotive Squeezing により、レーザー干渉計型重力波望遠鏡
の高周波側を支配する Shot 雑音に対して、低周波側の感度を支配する光輻射圧雑音では、
Squeezing Angle Rotation が発生しているため、従来の全周波数帯域で位相方向だけに
Squeeze された真空場を生成する“周波数非依存 Squeezing”技術では、返って、低周波
側の光輻射圧雑音を悪化させる問題があることが説明されている。そして、この Shot 雑
音と光輻射圧雑音の二つの量子雑音を同時に低減する方法として、高周波側で位相方向
に、低周波側で振幅方向に Squeeze された、周波数依存性のある Squeezed 光を生成す
る“周波数依存 Squeezing”技術の開発の必要性が説明されている。それを可能にする一
つの方法として、周波数依存性のない Squeezed 光を、適切なフィネスを持つ Fabry-Perot
共振器(フィルター共振器)に反射させることで周波数依存性を持たせる方法が紹介され
ている。第6章以降から、実験的成果が説明されている。第6章では、複数の周波数同期
されたレーザー光源、第二高調波発生器、OPO、モードクリーナーを組み合わせ、さら
に低雑音なホモダイン検出器を開発することで、Squeezing レベルが-5dB に達する
Squeezed 光源の開発に成功したことが説明されている。さらに、Squeezing レベルを制
限するロスの構成とその寄与の度合いについても考察されている。第7章では、実際に
300 m の基線長を持つ、振り子構造により防振された鏡二枚で構成される Fabry-Perot
共振器をフィルター共振器として用いることにより、世界で初めて、100 Hz 以下で
Squeezing Angle Rotation が発生する周波数依存 Squeezed 光源の開発に成功したこと
が述べられている。まずこの点で十分な学術的価値を認めることができる。第8章では、
1

第7章で用いられた従来のフィルター共振器の制御では、フィルター共振器の共振器長
揺らぎ、アラインメント揺らぎ、および detune 周波数の揺らぎを十分抑制できない問題
点があることが指摘されている。この問題点を改善する方法として、本論文提出者自身が
新たに考案したコヒーレントコントロール光を使ったフィルター共振器の制御手法が説
明されている。そして、実際にこの制御手法を用いることで、共振器長揺らぎが 3.4 ピ
コメートルから 0.75 ピコメートルまで低減された周波数依存 Squeezed 光源が実現でき
たことが報告されている。この点でも、十分な学術的価値を認めることができる。第 9 章
では、第7章と第8章の成果がまとめられるとともに、本提案手法により、重力波望遠鏡
の感度は 50 %程度向上し、重力波の検出頻度は 3 倍以上向上すること、及び、第三世代
重力波望遠鏡においても、本提案手法がその感度向上に寄与できるという結論に至って
いる。
なお、本論文第 6 章と第7章は、共著者のうち、主に Y.Zhao 氏, E.Capocasa 氏,
M.Leonardi 氏との共同研究であるが、本論文提出者も同等の貢献で装置開発と性能評価
を行ったものであり、本人の寄与は相応にあると判断する。一方、第8章も同諸氏との共
同研究ではあるが、論文提出者の独自の発案にもとづき主体的に行った立証実験であり、
十分な寄与があると判断する。
したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。

2

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