[论文解读] GASP - Galway Astronomical Stokes Polarimeter

Patrick P. Collins, Brendan Shehan+2 more|ArXiv.org|May 1, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 4

一句话总结

GASP 是一种基于振幅分割偏振测量（DOAP）的超高速全斯托克斯天文成像偏振计，可在单次曝光中同时测量所有斯托克斯参数（I、Q、U、V），采用改进型弗朗姆反射棱镜作为光束分割器和四分之一波片。通过特征值校准法（ECM）实现1%的校准精度，能够精确探测光学脉冲星和伽马射电暴余晖等天体的快速随机偏振变化。

ABSTRACT

The Galway Astronomical Stokes Polarimeter (GASP) is an ultra-high-speed, full Stokes, astronomical imaging polarimeter based upon a Division of Amplitude Polarimeter. It has been developed to resolve extremely rapid stochastic, millisecond variations in objects such as optical pulsars, RRATs and magnetic cataclysmic variables. GASP has no moving parts or modulated components, so the complete Stokes vector can be measured from just one exposure - making it unique to astronomy. Furthermore the time required for the determination of the full Stokes vector is limited only by the time resolution of the detectors used and the incident photon fluxes. GASP utilizes a modified Fresnel rhomb, which acts as a highly achromatic quarter wave plate and a beamsplitter (referred to as an RBS). Here we present a description of how the DOAP works, some of the optical designs for the polarimeter, and give some preliminary results. Calibration is an important, and difficult issue with all polarimeters, but particularly in astronomical polarimeters. We give a description of calibration techniques appropriate to this type of polarimeter, particularly the Eigenvalue Calibration Method of Compain & Drevillon

研究动机与目标

• 开发一种高时间分辨率的偏振计，能够在单次曝光中测量全斯托克斯矢量，以捕捉快速变化的天文偏振现象。
• 解决传统旋转波片和沃尔顿棱镜系统在毫秒 timescale 上捕捉随机偏振变化的局限性。
• 设计一种无活动部件的偏振计，其时间分辨率仅受探测器性能和光子通量的限制。
• 实施一种稳健的校准方法，消除仪器偏振效应，并确保偏振测量精度低于1%。
• 实现对瞬变事件（如伽马射电暴余晖和新费米伽马射电脉冲星光学对应体）的即时目标观测。

提出的方法

• GASP 采用振幅分割偏振测量（DOAP），其中入射光束通过改进型弗朗姆反射棱镜（RBS）被分割为两束强度相等且具有四分之一波延迟的光束。
• RBS 同时充当光束分割器和高度色差校正的四分之一波片，实现线性与圆偏振分量的同时测量。
• 每束光随后通过一个沃尔尼斯顿棱镜，分离正交偏振态，产生四束输出光束，其强度由EMCCD或APD探测器测量。
• 系统使用线性关系 I = A·S，其中 I 为测量的强度矢量，A 为系统矩阵，S 为输入斯托克斯矢量，从而通过 S = I·A⁻¹ 恢复 S。
• 校准通过特征值校准法（ECM）完成，该方法通过测量四种已知偏振标准的穆勒矩阵（空气、0°和90°偏振片、28°取向的四分之一波片）来确定误差校正矩阵。
• 校准过程确保消除了仪器偏振，系统通过具有已知偏振状态的标准恒星进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 无活动部件的全斯托克斯偏振计能否实现毫秒级时间分辨率，以探测随机偏振现象？
• RQ2 基于DOAP的系统在无机械调制的情况下，能否在单次曝光中准确测量全斯托克斯矢量？
• RQ3 特征值校准法（ECM）能否实现对高速天文偏振计的亚1%精度校准？
• RQ4 在仪器旋转时，系统在多大程度上保持偏振度和偏振角的一致性，从而验证矩阵校准的正确性？
• RQ5 该偏振计能否探测并表征与光学脉冲星和伽马射电暴余晖预期相符的快速偏振变化？

主要发现

• GASP 在 0.1 秒曝光下对 50% 线性偏振标准星 CRL 2688 的线性偏振度测量结果一致，表现出良好的稳定性与低噪声特性。
• 测量的偏振角随仪器旋转精确变化，证实系统矩阵 A 校准正确且可逆，确保了斯托克斯矢量的准确恢复。
• 斯托克斯 I 和 U/Q 强度的波动符合泊松噪声模型，表明光子限制噪声是不确定性的主要来源。
• 通过特征值校准法，系统实现了 1% 的校准精度，使对天体的可靠偏振测量成为可能。
• 在 1.5 米 Cassini 望远镜上，GASP 的 0.1 秒曝光对应于 8 米望远镜上蟹状星云脉冲星观测的约 5 毫秒时间分辨率，证明了其在脉冲星研究中的可行性。
• 仪器旋转测试表明，偏振度保持恒定，而偏振角随旋转线性变化，验证了系统实时正确解析偏振态的能力。