[論文レビュー] High-precision wavelength calibration with laser frequency combs

M. T. Murphy, Th. Udem+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2007

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、原子時計にロックされたフェムト秒パulsesを用いたレーザー周波数コンブを、天文学的分光計の高精度波長校正に用いることを提案している。コンブは、10⁻¹²未塔の精度で絶対周波数が既知の等間隔周波数ラインを提供し、4000 Åの波長範囲で約1 cm s⁻¹の波長校正精度を実現するとともに、分光計に起因する歪みの正確な特徴づけを可能にする。

ABSTRACT

Accepted —. Received —; in original form — We describe a possible new technique for precise wavelength calibration of high-resolution astronomical spectrographs using femtosecond-pulsed mode-locked lasers controlled by stable oscillators such as atomic clocks. Such ‘frequency combs ’ provide a series of narrow modes which are uniformly spaced according to the laser’s pulse repetition rate and whose absolute frequencies are known a priori with relative precision better than 10 −12. Simulations of frequency comb spectra show that the photon-limited wavelength calibration precision achievable with existing echelle spectrographs should be∼1 cm s −1 when integrated over a 4000 Å range. Moreover, comb spectra may be used to accurately characterise distortions of the wavelength scale introduced by the spectrograph and detector system. The simulations show that frequency combs with pulse repetition rates of 5–30 GHz are required, given the typical resolving power of existing and possible future echelle spectrographs. Achieving such high repetition rates, together with the desire to produce all comb modes with uniform intensity over the entire optical range, represent the only significant challenges in the design of a practical system. Frequency comb systems may remove wavelength calibration uncertainties from all practical spectroscopic experiments, even those combining data from different telescopes over many decades.

研究の動機と目的

• 高分解能天文学的分光法における長期間にわたる波長校正のずれと不確実性を解消すること。
• 従来のキャリブレーション源（例：アークランプ）の限界を克服すること。これらは絶対周波数基準を欠き、時間経過とともに劣化する。
• 異なる望遠鏡から得られる長期間にわたる観測データに対して、正確でトレーサブルな波長校正を可能にすること。
• 周波数コンブのスペクトルを用いて、分光計および検出器に起因する波長スケールへの歪みを特徴づけること。
• 天文用途に適した周波数コンブシステムの実用的設計要件を確立すること。

提案手法

• 原子時計によって安定化されたフェムト秒パulsesを用いたモードロックレーザーを用い、10⁻¹²未塔の絶対周波数精度を達成する周波数コンブを生成する。
• コンブの等間隔に配置された光モードを、各々が既知の絶対周波数を持つため、正確な波長基準グリッドとして利用する。
• 既存および将来のエッケラ分光計における到達可能な校正精度を評価するため、周波数コンブスペクトルをシミュレートする。
• 光子制限下の信号対雑音比を分析し、4000 Åの波長範囲で理論的校正限界が約1 cm s⁻¹であることを特定する。
• 一般的なエッケラ分光計の分解能に適合させるために、5–30 GHzのパルス繰り返し周波数が必要であることを評価する。
• 実用的校正に適した、コンブ全体の光学帯域幅にわたる均一なモード強度を達成する可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能エッケラ分光計において、周波数コンブを用いた波長校正精度の理論的限界は何か？
• RQ2 周波数コンブを用いることで、分光計および検出器の波長応答に起因する機器歪みを検出し、補正できるか？
• RQ3 既存および将来のエッケラ分光計の分解能に適合させるために必要なパルス繰り返し周波数は何か？
• RQ4 コンブスペクトルの光子制限下の信号対雑音比は、到達可能な校正精度にどのように影響するか？
• RQ5 周波数コンブシステムは、数十年にわたる複数の望遠鏡を含む分光的調査において、長期間にわたる波長校正不確実性を解消できるか？

主な発見

• 信号帯域幅にわたる積分により、周波数コンブは4000 Åのスペクトル範囲で約1 cm s⁻¹の波長校正精度を実現する。
• 各コンブモードの絶対周波数は事前に10⁻¹²未塔の相対精度で既知であり、トレーサブルな校正が可能である。
• シミュレーションにより、周波数コンブが分光計の光学部および検出器に起因する波長スケールへの歪みを正確に特徴づけられることを確認した。
• 一般的なエッケラ分光計の分解能に適合させるには、5〜30 GHzのパルス繰り返し周波数が必要である。
• 主な技術的課題は、高い繰り返し周波数を達成し、コンブの全光学帯域幅にわたる均一な強度を実現することにある。
• 周波数コンブシステムは、数十年にわたる長期間にわたる分光実験において、波長校正の不確実性を解消する可能性を有する。