研究の目的
本研究の目的は，重力波検出器用の高性能レーザーを開発することである．
研究の背景
筆者は，重力波を捉えるための日本のプロジェクトに参加している．重力波とは，空間の歪みが伝播していく現象である．重力波が到来すると，空間の長さがある方向で伸び，それに直交する方向では縮むように作用し，この伸縮が交互に起こる．このため，検出器で空間の伸び縮みを測定することにより，重力波を検出することができる．
重力波はアインシュタインが20世紀初頭に予言した現象であるが，今日に至るまで直接捉えた人はいない．これは，歪みがあまりにも微小であるためだ．重力波は，質量を持つ物体が加速度運動をする際に放出される波動であるが，物体と相互作用する力が非常に弱いため，現実的に観測可能な大きさの重力波を生み出すには，激しい天体現象 -- 例えば中性子星連星の合体衝突や超新星爆発など -- にその波源を求めなくてはならない．
重力波を捉えるための方法としては，物の伸縮を測定する共鳴型検出器と，空間の距離の変化を観測する干渉計型に大別できる．筆者の所属するプロジェクトは後者のレーザー干渉計型であるため，以下では特に干渉計方式に話を限定して進めることにする．
レーザー干渉計型重力波検出器
レーザー干渉計型重力波検出器の基本は，マイケルソン干渉計（図1）である．上述したように，重力波は空間の直交する２方向で互い違いに伸びたり縮んだりする現象である．このため，直交する方向に光を飛ばし，帰ってくる時間の違いを監視することで空間の歪みの有無を調べることができる．
図1：マイケルソン干渉計の模式図．光源（Laser）から放出された光はビームスプリッターで半分ずつに分けられ，それぞれの光路をたどる．鏡で折り返されたのち再びビームスプリッターで重ね合わせられると，光路長の相対的な差により異なる干渉縞が発生する．重力波検出器では，この干渉縞がある一定の位置（動作点）にとどまるように制御をかけ，変動に対して線形に出力信号が得られるようにしておく．この干渉計に重力波が入射すると，腕内のそれぞれの光路長に差が生じて干渉縞が変化するため，その信号を解析することで重力波およびその波源の情報を得ることができる．
世界の重力波検出計画
このような干渉計型重力波検出器は今日世界中で建設・改良されており，日本が建設した大型干渉計はTAMA300と呼ばれている．TAMA300計画では，空間の歪みを検出するため300mの長さを持つ干渉計を設置し，改良と試験運転を繰り返しつつデータを取得してきた．TAMA300は，1000時間以上の観測やパワーリサイクリングの初の成功など数多くの実績を残しており，世界のレーザー干渉計型重力波検出器の発展を牽引してきたと言っても過言ではない．
世界に目を向けると，アメリカのLIGO計画，ドイツ・イギリスのGEO計画，イタリア・フランスのVIRGO計画などを筆頭に数百メートルから数キロメートル規模の干渉計が建設され，重力波検出に向けて準備が行われている．
LCGT
これらの干渉計では，一般に腕の長さを長く取るほど微小な重力波を検出するのに有利である（ただし，長すぎると重力波信号の減衰が生じる）ことが分かっている．このため日本では，TAMA300より長い基線長を持つ次世代の重力波検出器としてLarge-scale cryogenic gravitational-wave telescope (LCGT)が提唱されている．
図2：LCGT計画で検察される予定の干渉計の模式図．図1と比較すると，干渉計に組み込まれている光学素子の数が多くなっている．これらはすべて，重力波の信号を増幅するか，他の余分な雑音成分を低減するための工夫である．
LCGTでは，干渉計に用いる鏡を低温 (20K) に冷やし，現在のTAMA300の数段上を行く性能を持つように設計されている．また，強い光を使うことで重力波の信号を覆い隠してしまう雑音（散射雑音）を減らせることが知られているため，光源として高出力レーザーを用いる予定である．しかし，現在，世界には次世代重力波検出器に使えるような高出力レーザーは存在しない．それはレーザーに求められる性能が究極的に高いからである．
レーザーについて
LCGTで使うためのレーザーに課せられる厳しい条件を考える前に，まずは「そもそもレーザーとは何か」について簡単に紹介しておこう．
レーザーとは，空間的，周波数的に優れた性質を持つ光を発生させる装置のことである．名前の由来は Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation の頭文字をとったものである．初めてレーザー発振が確認されたのは1960年．ルビー結晶を用いた実験である．以後，生活のあらゆる分野でレーザーが活用され，現在も研究の盛んな分野である．分光学や核融合ドライバ，あるいは産業用のkWクラスレーザーなど高出力化・高品質化が進められている．
レーザー光の特徴は，波面の位相がきれいに整った状態を実現していることである．「波」の特徴を表す位相とは，波の強いところ（山）と弱いところ（谷）が空間的にどこにあるかを示すものである．レーザー光の場合は「山なら山」・「谷なら谷」にはっきりと分かれているということである．従って，ふたつのレーザー光をスクリーン上に一緒に投影したときにに「山と山が重なった」・「谷と山が重なった」現象がはっきりと観測される．これを干渉と呼び，レーザー光を高コヒーレンス（可干渉性）であると言う．日常生活で使っている光（例えば蛍光灯）は位相がほとんど揃っていないため，ふたつの蛍光灯をつけても「明るくなる」だけでしま模様（干渉縞）を観測することはできない．もし仮に蛍光灯の光が高コヒーレンス状態だったとすると，部屋の中にあらゆる光が干渉して縞だらけになり，日常生活が送れなくなってしまう．
干渉計におけるレーザー光源
可干渉性・単色性の良いレーザー光を検出器の光源とすることで，重力波が到達した場合の位相変化を読み取ることが可能となる．しかし，重力波による空間のひずみは微小であるため，重力波以外の原因による位相変化（=雑音）をすべて取り除いた状態で干渉計を稼動させる必要がある．レーザー自身が持つ雑音源として挙げられるのは散射雑音・輻射圧雑音・周波数雑音・強度雑音・ビームジッタと呼ばれるものである．このうち，散射雑音・輻射圧雑音は信号自身が持つ量子的な雑音で，すべての雑音を取り除いた場合にどうしても残ってしまう究極的な雑音である．散射雑音を減らすためには干渉計内部でのレーザーパワーを上げてやればよいことが知られているため，高出力レーザーとパワーリサイクリング技術を併用して散射雑音を減らすのである．ただし，レーザーが高出力になるにつれて，輻射圧雑音（光子の反跳力による雑音）が大きくなるため，散射雑音・輻射圧雑音の相乗平均であるSQL(Standard Quantum Limit)がレーザーパワーに依存しない最終的な感度を表す．
LCGT
現在，LCGTはまだ計画段階であるが，干渉計は神岡鉱山の地下1000mに（2台）建設される予定である．神岡高山は地盤が固く，地面の振動が少ない点で有利である．
また，LCGT計画では，鏡を低温に冷やし鏡や振り子の熱雑音を低く抑える．このため，干渉計の感度(=雑音で決まる最低限の重力波信号の大きさ）は上述のSQLで決まり，これはレーザーパワーに依存しない，すなわち干渉計のデザインを決めたら固定されてしまう量である．原理的には，干渉計の腕の長さを伸ばし(L-1)，鏡の質量を増やす(m-1/2)ことで改善されるが，現実的問題としてLCGTの設計を変更することは非常に難しい．そのため，部分的に共振器を構成して重力波信号を増強したり(RSE)，感度をある特定の周波数帯域に特化して改善したりする方法(detuned RSE)が提案され，検証が進められている．
低い地面振動や鏡の冷却など導入により，LCGTの感度は量子雑音によってのみ制限され，200Mpc(1pc=3.26光年）離れた位置での天体現象（連星中性子星合体）をはっきりと捉えることができると見積もられている．
干渉計の信号に混入する雑音
LCGTの干渉計は量子雑音によって感度が制限されるような設計である．しかし，そのような状態を実現するためには，他のあらゆる雑音が十分に小さいことが前提である．
LCGTの熱雑音（鏡の弾性振動，振り子の熱振動）は，20Kまで冷却することで量子雑音以下に抑えることができる．原理的には限りなく0Kに近づけるのが理想であるが，鏡の特性（質量，熱伝導率，大きさ・形状）や伝導冷却のためのワイヤの特性，冷却器の性能および光の吸収による発熱などを考慮した結果，20Kが妥当であると判断した．
干渉計の感度を制限する雑音のひとつに，地面振動が挙げられる．地面の揺らぎは低周波数帯域（数Hz以下）で他の雑音源よりも大きくなり，干渉計の感度を制限する主要因となる．また，地面振動は，鏡を動かして干渉計を動作点からはずす働きをする．LCGT計画では地面振動の小さい神岡鉱山（地盤が固い）の地下に干渉計を建設する予定であり，地面振動の効果は小さいと見積もられている．
レーザー光源の雑音
さて，理想的に上述の雑音が十分に小さくなったとすると，次に重要なのがレーザー光源自身がもつ雑音である．干渉計は重力波による位相の変化を読み取る装置であるが，これがレーザー光の揺らぎによって起こったものと区別できなくてはならない．そのような位相変化を生じさせる雑音として，周波数雑音・強度雑音・ビームジッタが挙げられる．
干渉計が理想的な動作をしている場合，周波数雑音と強度雑音は感度悪化の原因とはならない．これは，重力波干渉計は腕の長さの差分を信号として利用しているため，それぞれの腕に等分された雑音が出力ポートでお互いに打ち消しあうからである．しかし現実には完全に打ち消しあう状態が実現されず．これらの雑音が出力に混じってしまう．例えばTAMA300ではkHz以上での高い周波数帯域で周波数雑音が感度悪化の原因となっている．これらの雑音の許容幅は干渉計の動作との兼ね合いで決まり，LCGTの見積の際にはTAMAのデータを参考にしている．実際にはLCGTでどの程度レーザーの雑音がきいてくるのか不確定な要素があるのも確かである．
LCGT用レーザーの仕様
LCGTの感度目標は，200Mpcはなれた連星中性子星合体から発生した重力波を雑音対信号比10で捉えるというものである．この感度を実現するためのレーザーの性能を以下にまとめる．これらが理想的でない場合，主干渉計に入射する前にモード整形で捨てられるため，パワーのロスとなる．さらにアライメント信号のオフセットや主光線との相互作用，コントラストの低下など様々な弊害をもたらすため，できる限り理想的な状態に近いことが望ましい．
- 出力 150W
- 単一周波数発振（単一縦モード発振）
- TEM_00発振（単一横モード発振）
- 直線偏光発振
- 低強度雑音
- 低周波数雑音
レーザー技術
以下の技術を導入し，仕様を満たすレーザーを作成する．
- 熱複屈折解消型共振器
- 進行波型レーザー共振器
- 注入同期 (Injection Locking)
- 増幅器（Master oscillator power amplifier, MOPA)
- 強度雑音安定化
- 周波数安定化
図3：注入同期の模式図．小出力であるが単一周波数で周波数的に安定なレーザーの出力を高出力で多くの周波数で発振しているレーザーに注入する．このとき，本来は微小な自然放出を種としてレーザー増幅が起こるのに対し，有限の電場が共振器内に存在するためにその周波数での発振が優勢となり，他の周波数での発振が抑えられるという非線形相互作用が注入同期の最も重要な性質である．
構成
本研究での最終的な構成として，注入同期＋Master oscillator power amplifier (MOPA) により150W単一周波数・単一空間モード発振を実現する．注入同期により低周波数雑音，高ビーム品質を保持したまま単一周波数発振を実現し，その出力を増幅することによって150W出力まで引き上げる予定である．
強度安定化は，増幅器の増幅度を制御することで行う．出力の揺らぎを検出・増幅して，LDに並列に挿入したCurrent shunt modulatorに負帰還を行うことで，強度雑音を低減することができる．
周波数安定化は，まず短基線長の光共振器を周波数基準として予備安定化を行い，次にモードクリーナー，干渉計本体に順次安定化を行い，目標の安定度を達成する．
図4：最終的な高出力レーザーシステムの構成の模式図．注入同期で100W・単一周波数を実現し，その出力を飽和増幅することで150Wまでパワーを引き上げる．