[論文レビュー] Enhanced high-dispersion coronagraphy with KPIC phase II: design, assembly and status of sub-modules

Nemanja Jovanović, Benjamin Calvin+18 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ケック望遠鏡に設置された高分散コロナグラフィー機器KPIC Phase IIのアップグレードされたサブモジュールの設計、組立およびラボ試験を提示する。Exoplanet分光法の性能を向上させるために、1000要素の可変ミラー、ロスレスビーム形状制御、ピラーマスク、バーティカルマスク、大気分散補償を統合し、惑星光の透過率を最大化し、星の漏れを最小限に抑える。これにより、直接撮像されたExoplanetの高SNR分光スペクトルを得るための統合時間の短縮が可能となる。

ABSTRACT

The Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) is a purpose-built instrument for high-dispersion coronagraphy in the K and L bands on Keck. This instrument will provide the first high resolution (R$>$30,000) spectra of known directly imaged exoplanets and low-mass brown dwarf companions visible in the northern hemisphere. KPIC is developed in phases. Phase I is currently at Keck in the early operations stage, and the phase II upgrade will deploy in late 2021. The goal of phase II is to maximize the throughput for planet light and minimize the stellar leakage, hence reducing the exposure time needed to acquire spectra with a given signal-to-noise ratio. To achieve this, KPIC phase II exploits several innovative technologies that have not been combined this way before. These include a 1000-element deformable mirror for wavefront correction and speckle control, a set of lossless beam shaping optics to maximize coupling into the fiber, a pupil apodizer to suppress unwanted starlight, a pupil plane vortex mask to enable the acquisition of spectra at and within the diffraction limit, and an atmospheric dispersion compensator. These modules, when combined with the active fiber injection unit present in phase I, will make for a highly efficient exoplanet characterization platform. In this paper, we will present the final design of the optics and opto-mechanics and highlight some innovative solutions we implemented to facilitate all the new capabilities. We will provide an overview of the assembly and laboratory testing of the sub-modules and some of the results. Finally, we will outline the deployment timeline.

研究の動機と目的

• 直接撮像されたExoplanetの高分解能分光法における統合時間を短縮するため、惑星光の透過率を最大化し、星の漏れを最小限に抑える。
• 高コントラストで高透過率なファイバーインジェクションを実現するための革新的な光学サブモジュールの開発および試験。
• フレクチャーコンペンセート機構を用いて、複数の光学構成において正確かつ再現可能なビーム誘導とアライメントを確保する。
• ケックAO内でのスペース制約のある環境に、先進的な波面補正およびビーム制御技術を統合する。
• 2021年後期の導入を想定し、すべてのサブモジュールをラボで検証し、信頼性の高い性能を確保する。

提案手法

• 最適なF/#を維持し、波面センシングおよびビーム制御のための焦点面・ピラーフェースを提供するため、二重オフアクシスパラボリック（OAP）リレーレンズを採用する。
• 高コントラストイメージングにおける波面補正およびスピークル抑制のため、1000要素の可変ミラーを用いる。
• シングルモードファイバーへの結合効率を最大化するため、ロスレスビーム形状制御光学を統合する。
• 星のハローを抑制し、回折限界内およびその周辺での高コントラスト分光法を可能にするために、ピラーフェースのアポダイゼーションとバーティカルマスクを用いる。
• KバンドおよびLバンド全域における波長依存効果を補正するため、大気分散補償器を組み込む。
• PyWFSピックオフおよびトラッキングカメラピックオフ用のメカニズムには、ヒステリシス補償付きの高精度フレクチャーステージを採用し、複数のミラー位置間での再現性のあるビームアライメントを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分散コロナグラフィーにおいて、惑星光の透過率を最大化し、星の漏れを最小限に抑えるにはどうすればよいか？
• RQ2 コンパactな機器内において、複数の光学構成にまたがる安定的かつ再現可能なビームスイッチングとアライメントを実現するための光学メカニカルソリューションは何か？
• RQ3 波面補正およびビーム形状制御をピラーフェース光学と組み合わせることで、R > 30,000の高コントラスト分光法を達成するにはどうすればよいか？
• RQ4 ラボ試験で得られた新しいサブモジュールの性能指標（特にビームコアントロイド安定性およびアライメント再現性）はどの程度か？
• RQ5 移動ミラー機構に生じるフレクチャーやヒステリシス効果がビームアライメントに与える影響は何か？また、それらを補正可能か？

主な発見

• PyWFSピックオフ機構は、すべてのミラー位置で50-mas未満のコアントロイド安定性を達成し、ヒステリシス補償を適用した際には散乱が70％低減された。
• トラッキングカメラピックオフ機構は、1ミラーあたり1ピクセル未満のコアントロイドRMSスプレッドを示し、ポイントイングオフセットは約5λ/D（約40 mas）に留まり、カメラの中央領域内に収まっていた。
• ラボ試験により、フレクチャーメカニズムが4本のビームをすべてコアライメントできる十分な範囲を有していることが確認され、ヒステリシス補償により決定論的かつ再現可能なアライメントが可能となった。
• ヒステリシス補償がなくても、すべてのアライメント仕様を満たしており、図7の青い破線円は許容可能な最大ずれを示している。
• すべてのサブモジュールが正常に組立・試験され、ケックシステムへの統合は2021年初頭に予定され、本格稼働は2021年末に予定されている。
• 最終的な光学メカニカル設計により、最小限の損失で効率的かつ高コントラストなファイバーインジェクションが可能となり、R > 30,000のExoplanet分光法の支援が可能となった。