Development of mid-infrared hollow core waveguide for GIGMICS on the new telescope at Haleakala

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H01950
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 平原 靖大 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (30252224)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松浦 祐司 東北大学, 医工学研究科, 教授 (10241530) ; 鍵谷 将人 東北大学, 理学研究科, 助教 (30436076) ; 中川 広務 東北大学, 理学研究科, 助教 (30463772)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 中空ファイバー / 中間赤外線 / 分子分光学 / 振動スペクトル / 高分散分光観測 / 惑星大気化学

Outline of Annual Research Achievements

研究代表者が天体観測用分光器として独自開発した冷却エシェル分光器GIGMICS(N-band全域で波長分解能R=λ/Δλ～40,000が実現可能)の内部光学系と、ハワイ・ハレアカラに設置する光学赤外線望遠鏡PLANETSを、中間赤外線冷却中空ファイバーの独自開発によって結合し、中間赤外線領域に対するガス惑星・衛星大気分子の振動回転スペクトル線のスペクトルサーベイ観測の感度向上と望遠鏡との光軸調整の平易化・安定化の実現を本研究の目的とする。本年度は下記の研究項目に取り組んだ。
(1)新型赤外線中空ファイバーの分光透過率の精密測定：真空対応型位相シフト干渉計用ステージを購入し、波長8～12μmで動作する准共通光路波面分割型位相シフト干渉法に基づくイメージング分光器を構築した。この分光器を用いて、自然光およびレーザー光入射時の透過率と出射開口数(N.A)の精密決定を行った。その結果について、国内学会および国際学会で発表し、投稿論文にまとめた。
(2)PLANETS望遠鏡主鏡の最終研磨：米国ハワイ大学において切削と初期研磨を施したクリアセラム製の口径1.85m軸外し放物面鏡材を、京都大学・岡山天文台の口径3.8mせいめい望遠鏡の副鏡の製作に実績のある日本国内のロジストラボ社に移設し、新開発のロボットアーム研磨機に搭載して、PLANETS望遠鏡主鏡として用いるための最終研磨と形状計測に取り組んだ。その結果について、国内学会および国際学会で発表し、投稿論文にまとめた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウイルス感染症の拡大によって、PLANETS望遠鏡の開発における下記の具体的な実験・作業項目において、当初予定した計画からの半年ないし１年の遅滞が避けられなかった。
(1)東北大学からロジストラボ社へのPLANETS望遠鏡鏡材の搬入作業(2)ロジストラボ社での研磨機の製作(3)Warping Harnessによる鏡材の支持機構の構築と研磨機への設置(4)中空ファイバーの特注製作(5)緊急事態宣言にともなうロックダウンに伴う、大学での実験・作業の中断。
このような状況に対処するために、2020年度に配分された研究経費の2021年度への繰越処理を行ったうえで、中空ファイバーの開発と性能評価、および、PLANETS望遠鏡の開発に注力した。

Strategy for Future Research Activity

当初予定では2020年度までにPLANETS望遠鏡主鏡が完成し、国内でのファーストライト観測を遂行し、冷却中空ファイバーの性能評価を当該主鏡の主焦点からの光の導入により行う予定であったが、新型コロナウイルス感染症の拡大に伴う開発の遅滞にかんがみて、下記の方針に変更の上、次年度に継続して所定の成果の取得を目指す。
(1)標準星の測光による中間赤外線領域でのファイバーの性能評価を、准共通光路波面分割型位相シフト干渉イメージング分光器および広帯域安定化光源による実験室での測定によって代替する。
(2)PLANETS望遠鏡主鏡の最終研磨の作業時間量削減のための、ロボットアーム研磨機上での３点ひきずり計測法の開発への注力
(3)Warping Harness支持機構の開発項目の繰り上げによる、ロボットアームでの研磨量の削減と完成工期の圧縮

Research Products

• [Journal Article] ALMA observation of SO2 gas originating from Io’s volcanic plume and lava areas (2021)
  • Author(s): R. Koga, T. Suzuki, F. Tsuchiya, T. Sakanoi and Y. Hirahara
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 907(1) Pages: L1-5
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abd39f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High dynamic-range observation using a 1.8-m off-axis telescope PLANETS: feasibility study and telescope (2020)
  • Author(s): M. Kagitani, T. Sakanoi, Y. Kasaba, Y. Hirahara, M. Kurita, J. R. Kuhn, S. V. Berdyugina and M. Emilio
  • Journal Title: Proceedings of the SPIE Volume: 11451 Pages: 1144543-1 - 11
  • DOI: 10.1117/12.2556458
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transmittance measurement of low/high-resistivity of CdZnTe at cryogenic temperature for material selection of the immersion grating of SPICA SMI (2020)
  • Author(s): H. Maeshima, K. Matsumoto, Y. Hirahara, T. Nakagawa, T. Wada, K. Nagase, S. Oyabu, T. Suzuki, T. Kokusho, H. Kaneda, R. Ito and D. Ishikawa
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 11451 Pages: 114515X-1 - 10
  • DOI: 10.1117/12.2562042
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of the liquid nitrogen cooled hollow core waveguide fiber for the mid-infrared region (2020)
  • Author(s): Y. Hirahara, R. Ito, Y. Yokoyama, Y. Matsuura, T. Katagiri, H. Nakagawa, Y. Kasaba, and A. Yamazaki
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 11451 Pages: 114516C-1 - 7
  • DOI: 10.1117/12.2561187
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Broadband mid-IR fiber optics for heterodyne spectroscopy in solar system exploration missions (2020)
  • Author(s): H. Nakagawa, S. Tsukada, Y. Kasaba, Y. Hirahara, Y. Matsuura, T. Katagiri, I. Murata and A. Yamazaki
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 11451 Pages: 114516B-1 - 7
  • DOI: 10.1117/12.2561939
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 木星衛星からの大気・内部物質散逸 (2021)
  • Author(s): 古賀亮一, 土屋史紀, 鈴木達也, 平原靖大, H.T.Smith, 木村智樹, 村 上 豪, 吉川一朗, 吉岡和夫, 山崎 敦, 鍵谷 将人, 坂野井 健
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] PLANETS低散乱軸外し望遠鏡の観測と開発の現状 (2021)
  • Author(s): 坂野井 健, 鍵谷将人, 笠羽康正,平原靖大, 栗田 光樹夫, 中川広務, 小原隆博, 岡野章一, 秋山正幸, S. Berdygina, M. Emilio
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] PLANETS望遠鏡の開発：ロボットアーム研磨機3点引きずり計測法による 主鏡の形状測定 (2021)
  • Author(s): 花村悠祐, 古賀亮一, 平原靖大, 栗田光樹夫, 高橋 啓介, 鍵谷将人, 坂野井 健, 笠羽康正
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] 惑星大気近赤外観測用高分散分光装置ESPRIT搭載の検出器制御系と 冷却系の開発 (2021)
  • Author(s): 神原 歩, 坂野井 健, 鍵谷将人, 笠羽康正, 大友 綾, 平 原靖大, 市川 隆
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Evaluation of the efficiency of the mid-IR laser heterodyne spectrometer using hollow fibers (2021)
  • Author(s): 塚田 悟輝, 中川 広務, 村田 功, 平原 靖大, 笠羽 康正, 片桐 崇史, 松浦 祐司, 宮本 明歩, 山崎 敦
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] 近赤外高分散分光器ESPRIT搭載の検出器駆動と冷却システムの開発 (2021)
  • Author(s): 神原 歩, 坂野井 健, 平原 靖大, 市川 隆, 鍵谷 将人, 笠羽 康正, 大友 綾, 永田 和也
  • Organizer: 2021年春季日本天文学会
• [Presentation] SPICA 搭載中間赤外線観測装置 SMI: Phase-A 技術開発・検討結果報告 (2021)
  • Author(s): 和田 武彦, 金田 英宏, 石原 大助, 長勢 晃一, 内山 瑞穂, 伊藤 哲司, 國生 拓摩, 平原 靖大, 土川 拓朗, 前嶋 宏志, 大西 崇介, 松本 光生, Huang Ting-Chi, 榎木谷 海, 海老原 大路, 笠羽 康正, 坂野井 健, 大薮 進喜, 鈴木 仁研, 中川 貴雄, 松原 英雄, 山岸 光義, Shiang-Yu Wang, 大山 陽一, 他 SMI コンソーシアム
  • Organizer: 2021年春季日本天文学会
• [Presentation] 中間赤外線用Immersion gratingの開発:極低温での低抵抗/高抵抗型CdZnTeの吸収係数評価 (2021)
  • Author(s): 前嶋 宏志, 松本 光生, 平原 靖大, 古賀 亮一, 花村 悠祐, 中川 貴雄, 和田 武彦, 長勢 晃一,大藪 進喜, 鈴木 仁研, 國生 拓摩, 金田 英宏, 石川 大智
  • Organizer: 2021年春季日本天文学会
• [Presentation] スペースからの中間赤外線高分散分光による宇宙化学 (2021)
  • Author(s): 平原 靖大
  • Organizer: G-REXサイエンス検討会
• [Presentation] H2O スノーライン検出を目指すSPICA高分散分光観測シミュレーション (2020)
  • Author(s): 中川 貴雄, 前嶋 宏志, 松本 光生, 和田 武彦, 磯部 直樹, 石原 大助, 野津 翔太, 森 昇志, 野村 英子, Inga Kamp, 本田 充彦, 平原 靖大、金田 英宏, SPICA SMI チーム
  • Organizer: 2020年春季日本天文学会
• [Presentation] 1.8m 軸外し望遠鏡 PLANETS による高コントラスト観測：現状と展望 (2020)
  • Author(s): 坂野井 健, 鍵谷 将人, 鈴木 駿久, 笠羽 康正, 小原 隆博, 秋山 正幸, 平原 靖大, 栗田 光樹夫
  • Organizer: 2020年春季日本天文学会
• [Presentation] 中間赤外線冷却中空ファイバーの開発 I (2020)
  • Author(s): 伊藤 良太,平原 靖大,横山 裕二,松浦 裕司,片桐 崇史,中川 広務,笠羽 康正,山崎 敦
  • Organizer: 2020年春季日本天文学会
• [Presentation] 1.8m 軸外し望遠鏡 PLANETS の主鏡支持構造の開発状況 (2020)
  • Author(s): 鈴木 駿久，鍵谷 将人，坂野井 健，笠羽 康正，平原 靖大，栗田 光樹夫
  • Organizer: 2020年春季日本天文学会
• [Presentation] SPICA 搭載中間赤外線観測装置 SMI のフェーズ A の技術開発の進捗 (2020)
  • Author(s): 磯部 直樹, 和田 武彦, 金田 英宏, 國生 拓摩, 鈴木 仁研, 平原 靖大, 大薮 進喜, 芝井 広, 笠羽 康正, 坂野井 健, 石原 大助, 大坪 貴文, 中川 貴雄, 長勢 晃一, 松原 英雄, 山岸 光義, Shiang-Yu Wang, 大山 陽一, 他 SMI コンソーシアム
  • Organizer: 2020年春季日本天文学会
• [Presentation] SPICA/SMI搭載 中間赤外線 Immersion grating : 材料選定のための 極低温でのCdZnTeの透過率測定 (2020)
  • Author(s): 前嶋 宏志, 松本光生,平原 靖大,中川 貴雄,和田 武彦,長勢 晃一, 大藪 進喜,鈴木 仁研,國生 拓摩, 金田 英宏,伊藤 良太,石川 大智
  • Organizer: 2020年春季日本天文学会
• [Presentation] 中間赤外中空ファイバを用いたレーザーヘテロダイン分光器の信号取得効率の評価 (2020)
  • Author(s): 塚田 悟輝,中川 広務,村田 功,平原 靖大,笠羽 康正,片桐 崇史,松浦 祐司,宮本 明歩,山崎 敦
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] 惑星大気高分散分光観測のための近赤外分光器ESPRITの開発 (2020)
  • Author(s): 神原 歩、坂野井 健、鍵谷 将人、笠羽 康正、大友 綾、平原 靖大
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] ひさき衛星とALMAで観測されたイオの火山活動と大気・イオプラズマトーラスの関係 (2020)
  • Author(s): 古賀 亮一、平原 靖大、鈴木 達也、土屋 史紀、鍵谷 将人、坂野井 健、木村 智樹、吉川 一朗、吉岡 和夫、村上 豪、山崎 敦
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] High-contrast imaging of planetary and satellite atmospheres by the 1.8 m off-axis PLANETS telescope (2020)
  • Author(s): 坂野井 健、鍵谷 将人、平原 靖大、栗田 三樹夫、鈴木 駿久、笠羽 康正、小原 隆博、岡野 章一、クーン ジェフ、ベルディギュナ スベトラーナ、マルチェロ エミリオ
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] SPICA 搭載中間赤外線観測装置:ESA 審査に基づく概念検討・設計の進捗 (2020)
  • Author(s): 大薮 進喜, 金田 英宏, 和田 武彦, 石原 大助, 長勢 晃一, 内山 瑞穂, 伊藤 哲司, 國生 拓摩, 平原 靖大, 前嶋 宏志, 笠羽 康正, 坂野井 健, 鈴木 仁研, 中川 貴雄, 松原 英雄, 山岸 光義, Shiang-Yu Wang, 大山 陽一, 他 SMI コンソーシアム
  • Organizer: 2020年秋季日本天文学会
• [Presentation] ALMA で検出された木星衛星イオの二酸化硫黄噴火ガス (2020)
  • Author(s): 古賀 亮一, 平原 靖大, 鈴木 達也, 土屋 史紀, 坂野井 健
  • Organizer: 2020年秋季日本天文学会
• [Presentation] 1.8m 軸外し望遠鏡 PLANETS の開発状況 (2020)
  • Author(s): 鍵谷 将人, 坂野井 健, 笠羽 康正, 平原 靖大, 栗田 光樹夫
  • Organizer: 2020年秋季日本天文学会
• [Presentation] Broadband mid-IR fiber optics for heterodyne spectroscopy in solar system exploration missions (2020)
  • Author(s): H. Nakagawa, S. Tsukada, Y. Kasaba, Y. Hirahara, Y. Matsuura, T. Katagiri, I. Murata and A. Yamazaki
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the liquid nitrogen cooled hollow core waveguide fiber for the mid-infrared region (2020)
  • Author(s): Y. Hirahara, R. Ito, Y. Yokoyama, Y. Matsuura, T. Katagiri, H. Nakagawa, Y. Kasaba, and A. Yamazaki
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High dynamic-range observation using a 1.8-m off-axis telescope PLANETS: feasibility study and telescope design (2020)
  • Author(s): M. Kagitani, T. Sakanoi, Y. Kasaba, Y. Hirahara, M. Kurita, J. R. Kuhn, S. V. Berdyugina and M. Emilio
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transmittance measurement of low/high-resistivity of CdZnTe at cryogenic temperature for material selection of the immersion grating of SPICA SMI (2020)
  • Author(s): H. Maeshima, K. Matsumoto, Y. Hirahara, T. Nakagawa, T. Wada, K. Nagase, S. Oyabu, T. Suzuki, T. Kokusho, H. Kaneda, R. Ito and D. Ishikawa
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PLANETS望遠鏡の開発 : 主鏡研磨の最適化 (2020)
  • Author(s): 永田和也, 鍵谷将人, 笠羽康正, 坂野井 健, 平原靖大, 栗田光樹夫
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会