[論文レビュー] On Stokes polarimeters for high precision CMB measurements and mm Astronomy measurements

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

Superconducting and THz Device Technology被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、高精度なCMBおよびミリ波帯天文学を目的としたストークス偏光計の詳細な物理モデルを提示している。温度依存性の光学的非理想性、多重内部反射、および波板と偏光子からの偏光放射を考慮している。冷却によって部品を1–4 Kに保ち、放射的背景を4.5 K未満に抑えることが、宇宙背景放射の偏光測定を汚染する誤った4f信号を抑えるために不可欠であることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 非理想光学素子による誤った信号が高精度なCMB偏光測定に与える影響に取り組む。
• 温度依存性の屈折率変化、多重内部反射、波板および偏光子からの偏光放射の影響をモデル化する。
• 熱放射と光学的不完全性が2fおよび4f変調周波数で誤った信号をどのように生成するかを定量化する。
• 波板および偏光子の冷却要件を特定することで、実験設計を最適化し、信号の汚染を最小限に抑える。
• 4.5 K未満の背景放射レベルを制御することで、検出器の非線形性を低減するフレームワークを提供する。

提案手法

• 垂直入射における二軸性半波板（HWP）における光学的活性な多重反射（OAMR）を考慮した新しいムーア行列形式を開発する。
• HWPモデルに周波数依存の屈折率（ne, no）および温度依存の吸収・透過係数を組み込む。
• 透過波および反射波のそれぞれに対して、多重反射に起因する非対角項を含む別々のムーア行列を構築する。
• CMB偏光、非偏光的背景（2.7 K）、HWP（50 K）および偏光子（2.5 K）からの偏光放射の寄与を合算して、ストークス偏光計で検出される全電力をシミュレートする。
• 大規模な2f誤った信号に対する非線形応答を分析することで、検出器の飽和効果をモデル化し、4f成分が生成されることを検証する。
• 異なるワイヤーグリッド配向を持つ偏光子アレイを用いて、位相差を持つ誤った信号をキャンセルする解決策を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半波板における温度依存性の光学的性質および多重内部反射が、ストークス偏光計のムーア行列および信号忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 実際の偏光計において2fおよび4f周波数での主な誤った信号源は何か？ それらはCMB偏光測定をどのように汚染するか？
• RQ3 大きな2f成分が存在する場合、検出器の非線形性が誤った4f信号をどの程度増幅するか？
• RQ4 CMB信号（0.7 μK rms）以下に誤った信号を抑えるために、HWPおよび偏光子に必要な冷却温度は何か？
• RQ5 異なる配向を持つアレイ型偏光子構成により、位相差を持つ誤った信号をキャンセルできるか？

主な発見

• 150 GHzで動作する実際のHWPは、多重内部反射のため、理想状態にはない非理想的なムーア行列を示し、非対角項（例：M34 = 0.033）が存在する。
• 50 Kで発生するHWPからの偏光放射は2f誤った信号を22 mK生成するが、偏光子による反射は4f信号を3 μK生成する。
• 2.5 Kに冷却された偏光子からの偏光放射がHWPで反射されると、4f誤った信号が2.1 μKに達し、これはCMB信号（0.7 μK rms）の4倍の振幅である。
• 偏光子を1 Kに冷却することで、4f誤った信号はCMB信号の4%未満にまで低下し、深冷が必要であることが示された。
• 検出器の線形性を保ち、S1およびS2パラメータの測定精度を10%に維持するためには、放射的背景を4.5 K未満に保つ必要がある。
• PILOT用の冷媒波板回転装置（CWR）は、室温のステッピングモータと3ビットの光学エンコーダーを用いて、4 Kで0.03°未満の位置精度を達成し、正確な4f変調を可能にしている。