[論文レビュー] Higher dispersion and efficiency Bragg gratings for optical spectroscopy

W. Saunders, Kai Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2018

Optical Coatings and Gratings参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、大規模な分光測定に適した高分解能分光計の小型化と高効率化を実現するため、大型プリズムに浸漬された高角度ブレグ型グレーティング（特にサーフェスリリーフ（SR）またはVPHグレーティング）の使用を提案する。極端な入射角を用いることで、分光計のサイズとコストを顕著に削減可能であり、s偏光とp偏光の効率ピークを一致させることで最大95％の効率を達成し、マルチオブジェクト・エシェル（MSE）分光計のような大規模な調査に適したコンactで高スループットなシステムを実現する。

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.

研究の動機と目的

• MSEのような大規模なマルチプレックススターラー調査に適したコンパクトで高スループットな分光計の設計課題に対処する。
• グレーティング設計における高ビーム角の導入により、分光計のサイズとコストを削減する。
• 極端なグレーティング角度による最適化により、s偏光とp偏光の効率ピークを一致させ、高い回折効率を達成する。
• サーフェスリリーフ（SR）またはVPHグレーティングをプリズムに浸漬した構成で、性能を向上させる可能性を検討する。
• 大口径ビームと高速カメラを組み合わせた高分解能（R ~ 40,000）分光計を実現する。

提案手法

• 従来の分光計と比較して顕著に高い角度で動作するブレグタイプのグレーティングを設計する。
• プリズムの浸漬を用いて、光をグレーティングに必要な高入射角で導く。
• s偏光とp偏光の効率ピークを一致させるために、グレーティングの幾何形状と材料を最適化する。
• VPHグレーティングよりも高い最大線密度と広帯域を実現するため、サーフェスリリーフ（SR）グレーティングを活用する。
• ビーム径が大きく、カメラ速度が速い条件での分光計構成をモデル化し、サイズと効率のトレードオフを評価する。
• 光学バンド全体にわたる効率性能をシミュレーション・分析し、95％近辺のピーク値に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プリズムに浸漬された高角度ブレググレーティングは、従来の設計と比較して顕著に高い回折効率を達成できるか？
• RQ2 グレーティングを極端な角度で動作させることで、分光計のサイズとコストをどの程度まで削減できるか？
• RQ3 高分解能分光計において、サーフェスリリーフ（SR）グレーティングとVPHグレーティングの線密度と帯域幅の観点での比較はいかがなっているか？
• RQ4 グレーティング角度の最適化によりs偏光とp偏光のピークを一致させた場合、達成可能な効率はどの程度か？
• RQ5 このようなグレーティング設計は、MSEのような次世代調査の高マルチプレックス性と高分解能要件を満たすことができるか？

主な発見

• 提案された高角度ブレググレーティング設計は、s偏光とp偏光の効率ピークを一致させることで、最大95％の回折効率を達成する。
• プリズムの浸漬により、極端なグレーティング角度での動作が可能となり、ビームサイズと分光計のフットプリントが縮小される。
• この構成において、サーフェスリリーフ（SR）グレーティングはVPHグレーティングと比較して、より高い最大線密度と広帯域を実現する。
• 大ビーム径と高速カメラを組み合わせた高分解能分光計（R ~ 40,000）の実現が可能である。
• コンパクトなビーム処理と高い効率のおかげで、分光計のサイズとコストを顕著に削減できる。
• MSEのような大規模な天文学的調査に適したコンパクトで高スループットな分光計の実現に、実現可能な道筋を提供する。