[논문 리뷰] Mesosphere Sodium Column Density and the Sodium Laser Guide Star Brightness

Jian Ge, J. R. P. Angel외 8명|arXiv (Cornell University)|1997. 08. 29.

Adaptive optics and wavefront sensing인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 32°N 위도에서 메소층 수소화합물 농도와 수소 레이저 가이드스타(LGS) 밝기의 동시에 측정를 처음으로 수행하였으며, 원형 편광 레이저 빛이 선형 편광에 비해 형광 반사율을 약 30% 향상시킨다는 것을 입증하였다. 수소 농도 농도가 3.7×10⁹ cm⁻²일 때, 1 W의 원형 편광 레이저는 R = 10.3 등급의 LGS를 생성하며(초당 제곱미터당 8.4×10⁵개의 광자), 계절적 및 일일 농도 변화를 바탕으로 원하는 가이드스타 밝기를 달성하기 위한 레이저 출력 예측이 정확하게 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 32°N 위도에서 항성 및 태양 흡수 스펙트로스코피를 이용해 메소층 내 수소 농도를 측정하기.
• 3 W 연속파 레이저로 생성된 수소 레이저 가이드스타의 절대 광량과 수소 농도 간의 상관관계를 규명하기.
• 레이저 편광(선형 대 비대칭 원형)이 레이저 가이드스타 밝기에 미치는 영향을 규명하기.
• 농도 변화에 따라 특정 가이드스타 등급을 달성하기 위한 레이저 출력을 정확하게 예측할 수 있는 직접적이고 정확한 방법을 제공하기.
• 중위도 지역에서의 수소 농도의 계절적 및 일일 변화를 특성화하기.

제안 방법

• MMT 및 CFA 60인치 망원경에서 관측한 항성 및 태양 스펙트럼의 흡수선 스펙트로스코피를 통해 수소 농도를 측정하였다.
• 수소 D2 초미세구조의 최고점에 맞춰 조정된 3 W 연속파 레이저를 사용하여 동시에 레이저 가이드스타 실험을 수행하였다.
• 동일한 농도 조건에서 선형 편광 및 원형 편광 레이저 빛의 형광 반사율을 비교하였다.
• 측정된 농도를 바탕으로 목표 가이드스타 등급을 달성하기 위한 레이저 출력을 추정하였다.
• 레이저 반사율 측정의 정확도 향상을 위해 레이저 레이더 기법에 의존하지 않는 직접 흡수 방법을 적용하였다.
• 일년 내내 데이터를 분석하여 수소 농도의 계절적 및 일일 변화를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 32°N에서 수소 농도는 계절적 및 일일적으로 어떻게 변화하는가?
• RQ2 수소 농도와 수소 레이저 가이드스타의 절대 광량 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 원형 편광 레이저 빛이 선형 편광 레이저 빛보다 유의미하게 더 밝은 레이저 가이드스타를 생성하는가?
• RQ4 측정된 농도를 이용해 원하는 가이드스타 등급을 달성하기 위한 레이저 출력을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 흡수 방법은 레이저 레이더 기법에 비해 수소 농도 측정 정확도에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 32°N에서 수소 농도는 단일 시간 내에 최대 두 배의 일일 변동성을 보였다.
• 32°N에서의 계절적 변동 폭은 고위도 지역보다 작으며, 연평균 농도도 고위도 지역보다 낮았다.
• 선형 및 원형 편광 모두에서 형광 반사율은 동시에 측정된 수소 농도에 선형 비례하였다.
• 동일 조건에서 원형 편광 레이저 빛은 선형 편광 레이저 빛보다 약 30% 더 높은 형광 반사율을 보였다.
• 1 W의 원형 편광 레이저 빛은 수소 농도가 3.7×10⁹ cm⁻²일 때 R = 10.3 등급의 레이저 가이드스타를 생성하며, 절대 광량은 8.4×10⁵ 광자/s/m²이다.
• 전통적인 레이저 레이더 기법에 비해 직접 흡수 방법은 더 정확하고 간편한 농도 측정 방법을 제공한다.