[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一套针对高精度宇宙微波背景（CMB）和毫米波天文学的斯托克斯偏振计的详细物理模型，考虑了温度相关的光学非理想性、多次内部反射以及波片和偏振片的偏振辐射。结果表明，将组件冷却至1–4 K，并将辐射背景抑制在4.5 K以下，是抑制污染宇宙学偏振测量的虚假4f信号的关键。

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.

研究动机与目标

• 解决由于光学组件非理想性导致的高精度CMB偏振测量中的虚假信号问题。
• 建模温度依赖的双折射、多次内部反射以及波片和偏振片的偏振辐射的影响。
• 量化热辐射和光学缺陷如何在2f和4f调制频率下产生虚假信号。
• 通过识别波片和偏振片的关键冷却需求，优化实验设计以最小化信号污染。
• 提供一种通过将背景辐射水平控制在4.5 K以下来最小化探测器非线性的框架。

提出的方法

• 开发一种新的穆勒矩阵形式，用于描述在正入射条件下，具有光学活性多次反射（OAMR）的双折射半波片（HWP）。
• 在HWP模型中引入频率相关的折射率（ne, no）以及温度相关的吸收和透射系数。
• 分别构建透射和反射辐射的穆勒矩阵，包含由多次反射引起的非对角项。
• 通过叠加CMB偏振、未偏振背景（2.7 K）以及波片（50 K）和偏振片（2.5 K）的偏振辐射贡献，模拟斯托克斯偏振计的总探测功率。
• 通过分析大2f虚假信号引起的非线性响应，建模探测器饱和效应，这些信号会生成4f分量。
• 提出一种解决方案：使用具有不同导线栅方向的偏振片阵列，以抵消具有相位偏移的虚假信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在半波片中，温度依赖的光学特性及多次内部反射如何影响斯托克斯偏振计中的穆勒矩阵和信号保真度？
• RQ2 在真实偏振计中，2f和4f频率下的主要虚假信号来源是什么？它们如何污染CMB偏振测量？
• RQ3 当存在较大的2f分量时，探测器非线性会如何放大虚假的4f信号？
• RQ4 为将虚假信号降低至CMB信号（0.7 μK rms）可接受的水平，HWP和偏振片需要达到的冷却温度是多少？
• RQ5 通过不同取向的阵列型偏振片配置，能否通过抵消机制减轻具有相位偏移的虚假信号？

主要发现

• 在150 GHz下，实际HWP表现出具有非对角项（如M34 = 0.033）的非理想穆勒矩阵，而理想情况下该值应为零。
• HWP在50 K时的偏振辐射产生22 mK的2f虚假信号，而偏振片的反射则产生3 μK的4f虚假信号。
• 在2.5 K时，偏振片的偏振辐射经HWP反射后产生2.1 μK的4f虚假信号，其振幅为CMB信号（0.7 μK rms）的4倍。
• 将偏振片冷却至1 K可使4f虚假信号降低至CMB信号的4%以下，证明深度冷却的必要性。
• 为确保探测器线性并保持对S1和S2参数测量的10%精度，辐射背景必须控制在4.5 K以下。
• PILOT任务的低温波片转台（CWR）通过使用室温步进电机和3位光学编码器，实现了亚0.03°的位置精度，从而在4 K下实现精确的4f调制。