[論文レビュー] Mesosphere Sodium Column Density and the Sodium Laser Guide Star Brightness

Jian Ge, J. R. P. Angel+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 1997

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、32°N緯度における中間圏ナトリウムの全量密度とナトリウムレーザーガイドスタービジョンの同時測定を初めて実施し、円偏光レーザー光が線形偏光に比べて蛍光戻り光を約30%増加させることを示した。ナトリウム全量密度が3.7×10⁹ cm⁻²のとき、1 Wの円偏光レーザーは、R = 10.3等（8.4×10⁵ 光子/s/m²）のガイドスタービジョンを生成し、季節的および日周的な全量密度変動に基づいて、望ましいガイドスタービジョンの明るさを達成するためのレーザー出力予測が可能になる。

ABSTRACT

The first time simultaneous measurements of sodium column density and the absolute flux from a sodium laser guide star, created by a monochromatic 3 W cw laser, tuned to the peak of the sodium D2 hyperfine structure, were conducted at the MMT and CFA 60 inch telescope in 1997. The results show that linearly and circularly polarized laser returns are proportional to the simultaneous sodium column density. Moreover, circularly polarized laser provides about 30% increase in fluorescent return over linearly polarized laser. A laser guide star with R = 10.3 mag. or absolute flux of 8.4x10^5 photons/s/m^2, could be formed from a 1 watt projected circularly polarized sodium laser beam when sodium layer abundance N(Na) = 3.7x10^9 /cm^2. Together with the distributed column density measurements (e.g. seasonal and diurnal variations), we can project laser power requirements for any specified guide star brightness. The mesosphere sodium column density variation was measured above Tucson sky throughout the year, through sodium absorption line measurements in stellar and solar spectra. Previous measurements, e.g. Papen et al, 1996, have not been made at this latitude (32 degrees). Further, our absorption method is more direct and may be more accurate than the lidar methods normally used. The seasonal variation amplitude is smaller than that at higher latitudes. While the annual mean sodium column density tends to be lower than at higher latitudes. Diurnal sodium column density tends to vary by as much as a factor of two within an hour.

研究の動機と目的

• 32°N緯度における星および太陽の吸収スペクトルを用いた中間圏ナトリウム全量密度の測定。
• 3 W連続波レーザーを用いて作成されたナトリウムレーザーガイドスターの絶対光度とナトリウム全量密度の相関関係の特定。
• レーザーの偏光状態（線形対円偏光）がレーザーガイドスタービジョンに与える影響の評価。
• 全量密度の変動に基づき、特定のガイドスターマグニチュードを達成するための必要なレーザー出力の直接的かつ正確な予測手法の提供。
• 中緯度地点におけるナトリウム全量密度の季節的および日周的変動の特徴化。

提案手法

• MMTおよびCFA 60インチ望遠鏡で観測した星および太陽のスペクトルにおける吸収線スペクトロスコピーを用いてナトリウム全量密度を測定。
• 中間圏ナトリウムの超微細構造D2線のピーク周辺にチューニングされた3 W連続波レーザーを用いて、同時にレーザーガイドスターテストを実施。
• 同一の全量密度条件下で、線形偏光と円偏光レーザーの蛍光戻り光を比較。
• 測定された全量密度を基に、目標ガイドスターマグニチュードを達成するための必要なレーザー出力を予測。
• リモートセンシング手法に依存しない直接吸収法を用いて、全量密度推定の精度を向上。
• 1年間にわたるデータ解析により、ナトリウム濃度の季節的および日周的変動を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 32°Nにおけるナトリウム全量密度は、季節的および日周的にどのように変動するか？
• RQ2 ナトリウム全量密度とナトリウムレーザーガイドスターの絶対光度の関係は何か？
• RQ3 円偏光レーザー光は線形偏光レーザー光に比べ、顕著に明るいレーザーガイドスタービジョンを生成するか？
• RQ4 測定された全量密度を用いて、望ましいガイドスターマグニチュードを達成するためのレーザー出力の正確な予測が可能か？
• RQ5 リモートセンシング手法に依存しない直接吸収法は、従来のリモートセンシング技術に比べ、ナトリウム全量密度測定において精度が優れているか？

主な発見

• 32°Nにおけるナトリウム全量密度は、1時間の時間スケールで最大2倍の日周変動を示す。
• 32°Nにおける季節的変動の振幅は高緯度地域に比べて小さく、年平均全量密度も高緯度地域に比べて低い。
• 線形偏光および円偏光の両条件下で、蛍光戻り光の強度は、同時に測定されたナトリウム全量密度に比例する。
• 同一条件下で、円偏光レーザー光は線形偏光レーザー光に比べて約30%高い蛍光戻り光を発生させる。
• 1 Wの円偏光レーザー光は、ナトリウム全量密度が3.7×10⁹ cm⁻²のとき、R = 10.3等のレーザーガイドスタービジョンを生成し、絶対光度は8.4×10⁵ 光子/s/m²である。
• 直接吸収法は、従来のリモートセンシング技術に比べ、より正確で直感的な全量密度測定が可能である。