[논문 리뷰] On Stokes polarimeters for high precision CMB measurements and mm Astronomy measurements

Maria Salatino, P. de Bernardis|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 16.

Superconducting and THz Device Technology인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 고정밀 CMB 및 밀리미터파 천문학을 위한 스토크스 편광계의 물리적 모델을 제시하며, 온도에 따라 변하는 광학적 비이상성, 다중 내부 반사, 웨이브플레이트와 편광판으로부터의 편광된 복사 에너지를 고려한다. 이는 1–4 K로 구성 요소를 냉각하고, 복사 배경을 4.5 K 이하로 최소화하는 것이 우주론적 편광 측정을 오염시키는 비정상적인 4f 신호를 억제하기 위해 필수적임을 보여준다.

ABSTRACT

Several on-going and future experiments use a Stokes polarimeter (i.e. a rotating wave plate followed by a steady polarizer and by an unpolarized detector) to measure the small polarized component of the Cosmic Microwave Background. The expected signal is typically evaluated using the Mueller formalism. In this work we carry-out the signal evaluation taking into account the temperatures of the different optical devices present in the instrument, their non- idealities, multiple internal reflections, and reflections between different optical components. This analysis, which exploits a new description of the radiation transmitted by a half wave plate, can be used to optimize the experimental setup as well as each of its optical components. We conclude with an example of application of our analysis, studying a cryogenic polarization modulator developed for detecting the interstellar dust polarization.

연구 동기 및 목표

• 비이상적인 광학 부품으로 인한 비정상적인 신호가 고정밀 CMB 편광 측정에 미치는 영향을 해결한다.
• 온도에 따라 변하는 이방성, 다중 내부 반사, 웨이브플레이트와 편광판으로부터의 편광된 복사 영향을 모델링한다.
• 열복사와 광학적 비이상성이 2f 및 4f 조절 주파수에서 비정상적인 신호를 어떻게 유도하는지 정량화한다.
• 웨이브플레이트와 편광판의 핵심 냉각 요구 조건을 규명하여 실험 설계를 최적화하고 신호 오염을 최소화한다.
• 배경 복사 수준을 4.5 K 이하로 제어하여 검출기 비선형성을 최소화하는 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 정상 입사 조건에서 이방성 반도체 웨이브플레이트(HWP)의 광학적 활성 다중 반사(OAMR)를 고려한 새로운 멀러 행렬 형식을 개발한다.
• HWP 모델에 주파수 의존성 굴절률(ne, no)과 온도 의존성 흡수 및 투과 계수를 통합한다.
• 전달 및 반사 복사에 대해 별도의 멀러 행렬을 구성하며, 다중 반사로 인한 비대칭 항목(비대각항)을 포함한다.
• CMB 편광, 비편광 배경(2.7 K), HWP(50 K) 및 편광판(2.5 K)으로부터의 편광된 복사 기여를 합산하여 스토크스 편광계에서 총 검출 전력량을 시뮬레이션한다.
• 큰 2f 비정상 신호에 대한 비선형 응답 분석을 통해 검출기 포화 효과를 모델링하며, 이로 인해 4f 성분이 생성됨을 분석한다.
• 다양한 와이어 격자 방향을 가진 편광판 어레이를 사용하여 위상 이동 비정상 신호를 상쇄시키는 해결책을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 웨이브플레이트에서 온도에 따라 변하는 광학적 성질과 다중 내부 반사가 스토크스 편광계의 멀러 행렬과 신호 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 실제 편광계에서 2f 및 4f 주파수에서 비정상적인 신호의 주요 원인은 무엇이며, 이들이 CMB 편광 측정을 어떻게 오염시키는가?
• RQ3 큰 2f 성분이 존재할 경우 검출기 비선형성이 비정상적인 4f 신호를 얼마나 증폭시키는가?
• RQ4 CMB 신호(0.7 μK rms) 이하로 비정상 신호를 감소시키기 위해 HWP와 편광판이 요구하는 냉각 온도는 얼마인가?
• RQ5 다양한 방향을 가진 어레이 기반 편광판 구성이 위상 이동 비정상 신호를 상쇄를 통해 완화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 150 GHz에서 실재의 HWP는 다중 내부 반사로 인해 이상적인 경우에 존재하지 않는 비대칭 항목(M34 = 0.033)을 포함한 비이상적인 멀러 행렬을 나타낸다.
• HWP에서 50 K에서의 편광된 복사는 2f 비정상 신호 22 mK를 생성하며, 편광판에 의한 반사는 4f 신호 3 μK를 생성한다.
• 2.5 K에서 편광판의 편광된 복사가 HWP에 의해 반사되어 4f 비정상 신호 2.1 μK를 생성하며, 이는 CMB 신호(0.7 μK rms)의 4배에 해당한다.
• 편광판을 1 K로 냉각하면 4f 비정상 신호가 CMB 신호의 4% 미만으로 감소하여 깊은 냉각의 필요성을 입증한다.
• 검출기 선형성과 S1, S2 매개변수 측정 정확도 10% 유지를 확보하기 위해 복사 배경을 4.5 K 이하로 유지해야 한다.
• PILOT용 쿨드 웨이브플레이트 로테이터(CWR)는 실온 스텝 모터와 3비트 광학 인코더를 사용하여 4 K에서 0.03° 이내의 위치 정밀도를 달성하며, 정밀한 4f 조절을 가능하게 한다.