[논문 리뷰] Higher dispersion and efficiency Bragg gratings for optical spectroscopy

W. Saunders, Kai Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 24.

Optical Coatings and Gratings참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 광학 스펙트로스코피에서 더 높은 분산과 효율성을 달성하기 위해 큰 프리즘에 잠긴 고각도 브라그 형식의 격자—특히 서피스 리lieff (SR) 또는 VPH 격자—를 사용하는 것을 제안한다. 극한의 각도에서 작동함으로써 이 설계는 스펙트로그래프의 크기와 비용을 크게 줄일 수 있으며, s- 및 p-편광의 효율성 피크를 일치시켜 최대 95%의 효율성을 달성하고, 다중 물체 이클레르 (MSE) 스펙트로그래프와 같은 대규모 조사에 적합한 컴팩트하고 고-throughput 시스템을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Massively multiplexed spectroscopic stellar surveys such as MSE present enormous challenges in the spectrograph design. The combination of high multiplex, large telescope aperture, high resolution (R~40,000) and natural seeing implies that multiple spectrographs with large beam sizes, large grating angles, and fast camera speeds are required, with high cost and risk. An attractive option to reduce the beam size is to use Bragg-type gratings at much higher angles than hitherto considered. As well as reducing the spectrograph size and cost, this also allows the possibility of very high efficiency due to a close match of s and p-polarization Bragg efficiency peaks. The grating itself could be a VPH grating, but Surface Relief (SR) gratings offer an increasingly attractive alternative, with higher maximum line density and better bandwidth. In either case, the grating needs to be immersed within large prisms to get the light to and from the grating at the required angles. We present grating designs and nominal spectrograph designs showing the efficiency gains and size reductions such gratings might allow for the MSE high resolution spectrograph.

연구 동기 및 목표

• MSE와 같은 대규모 멀티플렉스 스타 혼합 조사에 적합한 컴팩트하고 고-throughput 스펙트로그래프를 설계하는 데 도전하는 것.
• 격자 설계에서 고비례 각도를 허용함으로써 스펙트로그래프의 크기와 비용을 줄이는 것.
• 극한의 격자 각도를 통해 s- 및 p-편광 효율성 피크를 일치시켜 고분산 효율을 달성하는 것.
• 서피스 리lieff (SR) 또는 VPH 격자를 프리즘에 잠긴 구성을 통해 성능 향상을 위한 가능성 탐색.
• 큰 빔 직경과 빠른 카메라 시스템을 활용해 고해상도 (R ~ 40,000) 스펙트로스코피를 지원하는 것.

제안 방법

• 기존 스펙트로그래프보다 훨씬 높은 각도에서 작동하도록 브라그 형식의 격자를 설계하는 것.
• 빛이 격자에 도달하고 나가는 데 필요한 고비례 입사 각도를 확보하기 위해 프리즘 잠김을 사용하는 것.
• s- 및 p-편광 효율성 피크를 일치시켜 전체 효율을 최대화하기 위해 격자 기하학 및 재료를 최적화하는 것.
• VPH보다 더 높은 최대 선밀도와 넓은 대역폭을 제공하는 서피스 리lieff (SR) 격자를 사용하는 것.
• 크기와 효율성 간의 상충 관계를 평가하기 위해 큰 빔 직경과 빠른 카메라 속도를 갖춘 스펙트로그래프 구성 모델링.
• 광학 대역 전체에서 효율성 성능을 시뮬레이션하고 분석하며, 특히 95% 근처의 피크 값을 집중적으로 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잠긴 프리즘에 고각도 브라그 격자를 적용할 경우, 기존 설계보다 현저히 높은 분산 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 격자가 극한의 각도에서 작동함으로써 스펙트로그래프의 크기와 비용을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 고해상도 스펙트로스코피에서 서피스 리lieff (SR) 격자와 VPH 격자를 비교할 때 선밀도와 대역폭 측면에서 어떤 차이가 있는가?
• RQ4 격자 각도 최적화를 통해 s- 및 p-편광 피크를 일치시킬 경우 도달 가능한 효율성은 어느 정도인가?
• RQ5 이러한 격자 설계는 MSE와 같은 차세대 조사의 고다중성 및 고해상도 요구사항을 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 고각도 브라그 격자 설계는 s- 및 p-편광 효율성 피크를 일치시킴으로써 최대 95%의 분산 효율을 달성한다.
• 프리즘 잠김은 극한의 격자 각도에서 작동할 수 있도록 하여 빔 크기와 스펙트로그래프의 면적을 줄인다.
• 이 구성에서 서피스 리lieff (SR) 격자는 VPH 격자보다 더 높은 최대 선밀도와 넓은 대역폭을 제공한다.
• 큰 빔 직경과 빠른 카메라 시스템을 활용해 고해상도 스펙트로스코피 (R ~ 40,000)를 지원할 수 있다.
• 작은 빔 처리와 높은 효율성 덕분에 스펙트로그래프의 크기와 비용을 크게 줄일 수 있다.
• 이 방법은 MSE와 같은 대규모 천문학적 조사를 위한 컴팩트하고 고-throughput 스펙트로그래프로의 실현 가능한 길을 열어준다.