一般相対論から導かれたEinstein方程式には光速度で伝播する波動解が存在する。これは重力波と呼ばれ、時空の歪みの伝播として理解されている。重力波の存在は間接的には証明されているが、その直接検出は未だになされていない。もし重力波が直接検出できれば一般相対論の検証だけでなく、今まで電磁波では観測することができなかった天体現象の情報を得ることができる。従って、重力波観測は物理学的・天文学的観点から非常に興味深いものである。

　重力波と物質との相互作用は極めて小さいためにこれまで検出は困難とされてきた。しかし、重力波検出に必要不可欠な極限技術が最近開発されてきたことによって、重力波検出はもはや不可能ではないレベルまで研究が進んできており、世界中で重力波を直接検出するための大型レーザー干渉計重力波検出器の建設プロジェクトが進行している。その中で日本では世界に先駆けて、国立天文台の三鷹キャンパスに300mレーザー干渉計(TAMA300)が完成した。

　レーザー干渉計型重力波検出器の原理は、懸架された2枚の鏡の間の距離をレーザー干渉計で非常に高精度に測定し、重力波によって生じた固有距離の変化を検出するものである。地上に建設されたレーザー干渉計で検出が期待されている重力波源は超新星爆発や回転する非対称なパルサーなどであるが、特に有望と考えられているのは連星中性子星の合体である。これから放出される重力波周期は10Hz〜1kHz程度であり、また20Mpc以内で起きたその合体による実効的な重力波振幅は地上ではh_c〜10^-20程度になると計算されている。

　TAMA計画は1995年に始まった300mレーザー干渉計を建設する計画である。TAMA300の目的は将来建設が提案されている日本のkmクラス干渉計に必要な技術を確立することと、2000年からは本格的に運転し、実際に重力波検出を試みることである。よって、TAMA300の最終目標感度はアンドロメダ銀河(r〜700kpc)までの距離で起きた連星中性子星合体を考慮してh＝1.7×10^-221/である。

　TAMA300はFabry-Perot-Michelson干渉計、リサイクリングミラー、そして光源の3つの基本要素から構成されている。Fabry-Perot-Michelson干渉計はその両腕に長さ300mのFabry-Perot共振器を装備したMichelson干渉計であり、Fabry-Peort共振器の多重干渉を利用することで実効的な光路長を長くし、重力波に対する感度を高めている。リサイクリングミラーは干渉計感度を制限するレーザーショット雑音を抑制するために、干渉計内部の実効的な光量を増加させるのに使用される。光源には高出力レーザーとモードクリーナーと呼ばれる光学系が採用されている。モードクリーナーはFabry-Perot共振器であり、干渉計に入射するレーザー光の空間的ひずみや幾何学的なビーム揺らぎを除去するために使用される。またモードクリーナーはレーザー周波数基準器としても利用できるようにそれぞれの鏡は懸架され、地面振動の影響を減少させている。

　本研究ではTAMA300にリサイクリングミラーを組み込む前段階である300m Fabry-Perot型干渉計(TAMA300 Phase1)のためのレーザー周波数及び強度安定化システムの開発を行った。同時に高出力レーザーとモードクリーナーからなる光源の性能評価も行った。

　TAMA300 Phase1の目標感度はh＝1.7×10^-211/であり、それを満たすために光源に対して次のような要求が課せられている。干渉計への入射光量は3W、単一周波数発振、TEM₀₀モード、直線偏光が求められる。またレーザー強度安定度1×10^-81/(安全係数10)、周波数安定度は5×10^-6Hz/(安全係数10)が要求されている。

　干渉計への入射光量、そのビームの品質及びレーザー安定度に対する要求を満たすために、10W注入同期Nd:YAGレーザーと10mリング型モードクリーナーが採用された。10W注入同期レーザーはソニー(株)中央研究所によって開発されたものである。そのマスターレーザーにはNPROと呼ばれる700mW出力で単一周波数発振する高安定なレーザーが使用され、10Wリング型スレーブレーザーを注入同期させる方式で高出力かつ高安定なレーザー光を得ている。10mモードクリーナーはTAMA300のセンター真空槽室内に建設された。全ての鏡は2段振り子で懸架されており、地面振動の影響を軽減している。また残留ガスによる光路長揺らぎを防ぐために10^-5Paの真空度に保たれた真空槽内に配置されている。

　モードクリーナーへの入射光量が6.5Wのときにモードクリーナー出射光量3.5Wを実現した。このとき、モードクリーナーの透過率は約54%であった。干渉計への入射光のビーム品質はモードクリーナー出射光の空間的なビームプロファイルを測定することで評価した。その結果、干渉計入射光は実際に満足できるレベルのTEM₀₀モードであることが確認された。リング型共振器の持つ偏光選択性の評価も行い、約40dBの偏光除去比を持つことが確認された。これによって干渉計に直線偏光を持つレーザー光を供給できる。

　位相変調器(EOM)はそれを透過するビーム波面を乱し、干渉計の干渉効率を減少させるため、干渉計制御に必要な位相変調はモードクリーナー入射前でかけられなければならない。しかし、そのような配置ではモードクリーナー透過光に周波数-振幅変換されたRF強度雑音が生じる。このRF強度雑音は干渉計出力に現れ、干渉計をショット雑音限界で動作させることを妨げることが、寺田によって解明され、またその雑音を抑制するための変調透過法が開発された。しかし、その実験では低出力レーザーが使用されていたために、実際にTAMA300で使用する10Wレーザーで検証する必要があった。そこで、本研究では10Wレーザー自体の特性調査を行い、この実験に使用可能であることを示し、実際に変調透過法を用いて、10WレーザーのRF強度雑音が要求されるレーザーショット雑音以下になることを確認した。

　レーザー強度雑音は強度変調用EOMを利用して制御した。モードクリーナーの揺らぎによって生じる強度雑音を抑制するためにモードクリーナー透過光の一部を用い、かつ、空気揺らぎから生じる雑音を低減するためにそれを真空中で検出した。その結果、強度安定度3×10^-81/を達成した(図1左)。これはTAMA300 Phase1の目標感度を安全係数3で満たす値であり、モードクリーナー透過光を利用した強度安定化の方法が妥当であることを示した。またこのとき強度安定度は散乱光雑音に支配されていることが確認されたので、これを除去することで、更に強度安定度は向上することが期待される。

　本研究で最も重要なのはレーザー周波数安定化である。レーザー周波数安定度に対する要求値は5×10^-6Hz/(安全係数10)である。これは10Wレーザーのフリーラン時の周波数安定度より、7桁以上も小さい値である。そのような要求値を満足するためにTAMA300 Phase1のためのレーザー周波数安定化システムの設計を行い、実際にその性能を評価した(図2)。

　レーザー周波数は最初モードクリーナーを周波数基準として周波数安定化され、次に干渉計のFabry-Perot腕共振器を利用して安定化される。このシステムは世界の重力波検出計画で採用される方式と比較してシンプルであり、要求される周波数安定度を達成するために必要な制御利得を2つに分割でき、また干渉計に制御信号を返さないことによって重力波信号を全く汚染しないという利点を持つ。更に、他の重力波検出計画では考慮されていない、干渉計から得られた誤差信号がモードクリーナー制御ループに注入される際にモードクリーナー透過光にRF強度雑音を悪化させない条件を考慮して設計された。

　このシステムによってレーザー周波数安定度5×10^-5Hz/を達成した(図1右)。これはTAMA300 Phase1の目標感度を達成できる値である。達成された周波数安定度を支配していたのはレーザーショット雑音であった。このショット雑音値は計算値と1桁ほど違いがあったが、この違いが将来明らかになれば、周波数安定度はさらに向上することが期待される。また干渉計全体の連続7時間以上の運転が実現されたことから、この周波数安定化システムは重力波の連続観測に十分耐えられることが確認された。

図表図1:(左図)強度雑音スペクトル、(右図)周波数雑音スペクトル / 図2:レーザー周波数安定化システム及びその他の制御システム

　以上の研究成果により、300m規模の干渉計で世界に先駆けて重力波検出のための観測を行うことができた。また、TAMA300 Phase1の光源に対する要求をほぼ満足したので、近い将来、その目標感度であるh＝1.7×10^-211/が実現されると期待される。

　本論文は、未だ直接的には検証されていない重力波の存在を、レーザー干渉計を用いて直接検証しようという計画のなかで重要な部分であるレーザー干渉計システムの開発について要素開発と全体のシステムの挙動に付いて記述したものである。

　一般相対論から導かれた、アインシュタイン方程式には光速度で伝播する波動解が存在し、重力波として知られ、時空の歪みの伝播としてとらえられている。重力波の直接検証が行われれば、一般相対論の検証という意義にとどまらず、従来行われてきた電磁波分光による情報以外の新しい情報をもたらすものとして重力波観測は物理学、天文学にとって新しい分野の開拓となりうると考えられている。

　しかし重力波と物質の相互作用はきわめて小さく、空間の歪みそのものをとらえる提案は多くあったが、現実には不可能に近いと考えられていた。しかし近年、極限技術の高度化により要素技術が飛躍的に向上したレーザー技術によるレーザー干渉計を用いれば、その検出はもはや不可能ではないと考えられるまでになり、世界的に数グループで大型のレーザー干渉計重力波検出器の建設計画が、進行中である。

　日本においても300mの直交アームを持つレーザー干渉計検出器の建設が国立天文台(三鷹)において研究者チームの協力のもとに進められ、世界に先駆け概成、運転が開始された。

　本論文はそのTAMA300の開発に関連して得られた成果である。

　本論文は10章より構成されており、第1章においては、研究の背景目的、到達すべき目標が述べられ、第2章においては、重力波が概説され、第3章においては、重力波検出器としてのレーザー干渉計の原理、基本的構成、性能を決定する因子である感度、雑音特性の一般論が述べられている。第4章においては実際のTAMA300における検出器の要請される諸特性、それをみたすべく設定される各部品の特性、制御システム等がまとめて記述され、第5章において、TAMA300の主光源である注入型安定化10W級Nd:YAGレーザーのみたすべく要請された特性、現実の動作特性が述べられている。第6章においては、ビームのモード制御のための10m級のモードクリーナーの必要性と構成と、10W光源での動作特性が記述され、第7章においてはレーザーの強度安定化すなわちTAMA300において要請される安定度とその実現法、現実に動作した際に得られた安定度とその限界等が記述されている。第8章においては、レーザー周波数の安定化、すなわち要請される周波数特性の安定化目標値、その実現法、実際動作時に得られた良好な安定度の結果等が記述され、第7章とともに重要な成果が述べられている。第9章に、関連する相互検討、第10章に結論として本研究により得られた成果がまとめられている。

　レーザー干渉計で検出が有望と期待されているのは連星中性子星の合体であり、放出される重力波周期は10Hz〜1KHz程度、重力波振幅は地上でh_c〜10^-20程度と計算されている。一方TAMA300では将来建設が検討されているKmクラス干渉計に必要な技術の確立と、実際の運転と重力波の検出を試みることが目標とされている。対象としてアンドロメダ銀河(r〜700Kpc)までの連星中性子星合体を考慮し、目標感度はh＝1.7×10^-221/$114967f09.gif$である。

　TAMA300はファブリーペロー・マイケルソン干渉計、リサイクリングミラー、10W級単一モードレーザー光源とモードクリーナーにより構成されている。

　本研究ではTAMA300にリサイクリングミラーを組み込む前段階である300mファブリー・ペロー型干渉計のためのレーザー周波数及び強度安定化システムの開発を行い、同時に10W高出力レーザーとモードクリーナーからなる光源の性能評価も行っている。TAMA300では干渉計への入射光量3W,単一周波数発振,TEM₀₀,直線偏光でレーザー安定度、1×10^-81/$114967f10.gif$周波数安定度5×10^-6Hz/$114967f11.gif$が要請されている。

　本研究では、レーザー強度雑音はモードクリーナー透過光の一部を用い、強度変調用電気光学素子により制御され、かつ支配因子が散乱光雑音である事の確認も行っている。レーザー周波数は最初モードクリーナを周波数基準として安定化し、更に干渉計のファブリー・ペロー共振器を利用して安定化される方式が提案され採用されている。この方式は制御を2段階に分割できると同時に、干渉計に制御信号を返さないので重力波信号に影響を与えないという特色を持ち、実際に安定度5×10^-5Hz/$114967f12.gif$が達成され、この際に限界はショット雑音と結論された。

　このように本研究によりTAMA300では重力波の検出が可能な水準に到達することが出来たと考えられ、今後の向上に対する指針も得られ、レーザー物理学とともに重力波物理学の展開に貢献大とみとめられる。

　本研究の一部は川村静児との共同研究であるが、論文提出者が主体となって分析及び検証を行ったもので論文提出者の寄与が十分に、大であると判断される。

　したがって博士(理学)の学位を授与するに値すると認められる。