地球型系外惑星直接検出のための高消光ダブル波面計測制御光学系の研究

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24360029
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 西川 淳 国立天文台, 光赤外研究部, 助教 (70280568)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 黒川 隆志 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 名誉教授 (40302913)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 応用光学・量子光工学 / 超精密計測 / 波面センシング / 補償光学 / ナリング干渉計 / 惑星探査 / 系外惑星 / 光学赤外線天文学

Research Abstract

本研究の目的は、カメラの露光時間の長い極微弱光下において、10 桁消光できる地球型系外惑星の直接観測装置を開発し、望遠鏡搭載の目処を得ることにある。望遠鏡全体で生じる変化の速い波面誤差を瞳面波面センサーで計測し、コロナグラフ（恒星光を消光して惑星光を検出する光学系）で生じる非常に変化の遅い波面誤差を焦点面カメラで計測し、それらを合わせて制御できる、高消光なダブル波面計測制御光学系を新たに開発する。
本研究の開発実験光学系は、光源部、非対称ナル干渉計部(UNI)、補償光学部、コロナグラフ部（焦点面カメラを含む）、から成り立っている。光源部は、迷光や振動から隔離され、広帯域特性が得られるよう、数個の光源を１本のシングルモードファイバーにカップリングして引き込んでいるが、安定化のための改良を行った。UNI部は、4分割位相マスクコロナグラフの特殊な用法によって高い安定性の非対称ナル干渉計の実現が可能になっているが、フォトニック結晶によるマスクの導入により、コンパクト化が進められるようになった。コロナグラフ焦点面での波面センシングによる補償光学制御系の開発が進み、焦点面の多数点に対して繰り返し制御が行えるようになり、最大で消光比が1E-7に達した。さらに、焦点面の広い範囲に対する効率的制御法を開発中である。これらを用いて、ダブル波面計測制御系の開発を進めた。可変形鏡の表面形状の高精度化、および、波面精度等の特性の優れた偏光素子の調査も継続した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究の開発実験光学系は、光源部、非対称ナル干渉計部(UNI)、補償光学部、コロナグラフ部（焦点面カメラを含む）、から成り立っている。各部の基本動作および性能は必要条件を満たす状態にまでなっており、現段階での達成度としては十分である。しかし、各部においては、より高いパフォーマンスの可能性を検討して改良を進めているところであり、全系を統合して高消光なダブル波面計測制御光学系としての性能を追求するのがが多少遅れている。
個別にみると、光源部は、本光路とは隔離された別の机上の小定盤において4つのレーザー光源をファイバーに導入しているが、1週間以上経過すると多少の調整が必要なため改良を進めてきた。そして、さらなる改良を予定している。本光路上に導かれたファイバー出力を平行光として射出するところでは、効率と消光比に与える影響について精査してパラメーターを変更しようとしている。UNI部は、高精度のマスクが入手でき、高性能の非対称ナル干渉計が実現できる見通しであるが、従来のものとパラメーターの微妙な違いがあり、全光学系のパラメーターも変更して改良できるかを検討している。焦点面波面センシングによる補償光学制御では、アルゴリズムがまだまだ発展中であり、より速く安定に高い消光比へ到達する可能性が高い。このように、それぞれの部分に改良・発展の可能性が含まれているため、それらを極力高精度化したのち、各部を統合して開発実験光学系全体およびダブル波面計測制御系を完成させ、より高い消光比を得るとともにその有効性を示す。

Strategy for Future Research Activity

本研究の開発実験光学系である、光源部、非対称ナル干渉計部(UNI)、補償光学部、コロナグラフ部（焦点面カメラを含む）の、それぞれの部分について改良を行い、極力高精度化したのち、各部を統合して光学系全体およびダブル波面計測制御系を完成させ、より高い消光比を得るとともに２重の制御の有効性を示す。
光源部は、レーザー光をシングルモードファイバーで導くことで、主光学系の温度安定化と迷光遮断を図っており、比較的高いカップリング効率を得ているが、入力部分の安定化対策をさらに施す。UNI部は、高精度の光学素子に合わせた光学系に変更する。また、UNI部の光学系変更に伴って、全光学系についてもパラメーターの見直しと再構築を進め、同時に安定化・高精度化対策も進める。光学素子、特に、偏光素子について、調査・サンプル評価等によって高精度なもののサーチを行い導入を進める。補償光学部とコロナグラフ部は、光学的なマッチングに配慮しながら配置の再調整を行い、焦点面カメラからのフィードバック制御アルゴリズムを改良し、安定高効率で広範囲高消光比を追求する。なお、UNI部およびコロナグラフ部は、渦マスクやリヨマスク型の可能性も検討する。
上記のように、各部についての高性能化を進めたのち全光学系および制御系を用いて、瞳面波面センサーと焦点面カメラによる計測を合わせて制御する、高消光なダブル波面計測制御光学系の開発を推進する。また、国内外の会議や論文への発表等により成果を配信周知する。また国際協力研究の可能性も追求する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

3月納品で支払いが4月になったため。
既に全額発注納入済みで、実質上は次年度使用額は残っていない。次年度は、次年度の予算に基づいて、本研究の開発実験光学系の各部分についての高精度化、統合した全光学系制御系による開発実験、等により研究を遂行する。

Research Products

• [Journal Article] Central-Obscuration Removal Plates for Focal-Plane Phase-Mask Coronagraphs with a Centrally-Obscured Telescope (2014)
  • Author(s): F. Oshiyama, N. Murakami, O. Guyon, F. Martinache, N. Baba, T. Matsuo, J. Nishikawa, and M. Tamura
  • Journal Title: Publ. Astron. Soc. Pacific Volume: 120 Pages: 270-279
  • DOI: 10.1086/675807
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unbalanced nulling interferometer and precise wavefront control (2013)
  • Author(s): J. Nishikawa and N. Murakami
  • Journal Title: Optical Review (Invited Review Paper) Volume: 20 Pages: 453-462
  • DOI: 10.1007/s10043-013-0078-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Imaging of a Cold Jovian Exoplanet in Orbit around the Sun-like Star GJ 504 (2013)
  • Author(s): M. Kuzuhara, M. Tamura, T. Kudo, M. Janson, R. Kandori, T. D. Brandt, C. Thalmann, D. Spiegel, B. Biller, J. Carson, Y. Hori, R. Suzuki, A. Burrows, T. Henning,, J. Nishikawa, et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 774 Pages: article id. 11
  • DOI: 10.1088/0004-637X/774/1/11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Imaging Search for Extrasolar Planets in the Pleiades (2013)
  • Author(s): K. Yamamoto, T. Matsuo, H. Shibai, Y. Itoh, M. Konishi, J. Sudo, R. Tanii, M. Fukagawa, T. Sumi, T. Kudo, J. Hashimoto, N. Kusakabe, L. Abe, J. Nishikawa, et al.
  • Journal Title: Publ. Astron. Soc. Japan Volume: 65 Pages: Article No. 90
  • DOI: 10.1093/pasj/65.4.90
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 系外惑星の直接撮像を目指した高コントラスト極限補償光学 (2014)
  • Author(s): 村上尚史，西川淳，田村元秀，押山史佳，Eugene Serabyn，Wesley A. Traub，Kurt M. Liewer，Dwight C. Moody，John T. Trauger，庄子隼斗，坂本盛嗣，岡和彦，馬場直志
  • Organizer: 若手研究者による分野間連携研究プロジェクトシンポジウム すばる望遠鏡から顕微鏡へ：高解像・高感度観察を可能にする次世代補償光学系に向けて
  • Place of Presentation: 国立天文台、東京都三鷹市
  • Year and Date: 20140324-20140325
  • Invited
• [Presentation] 系外惑星直接観測のための焦点面波面センシングを用いた補償光学制御法(2) (2014)
  • Author(s): 大矢正人，西川淳，堀江正明，佐藤克磨，深瀬雅央，村上尚史，小谷隆行，熊谷紫麻見，田村元秀，田中洋介，黒川隆志
  • Organizer: 日本天文学会2014年春季年会
  • Place of Presentation: 国際基督教大学、東京都三鷹市
  • Year and Date: 20140319-20140322
• [Presentation] フォトニック結晶技術による焦点面マスクコロナグラフの開発状況 (2014)
  • Author(s): 村上尚史, 西川淳, 田村元秀, Eugene Serabyn, Wesley A. Traub, Kurt M. Liewer, Dwight C. Moody, John T. Trauger, 押山史佳, 庄子隼斗, 坂本盛嗣, 岡和彦, 馬場直志
  • Organizer: 日本天文学会2014年春季年会
  • Place of Presentation: 国際基督教大学、東京都三鷹市
  • Year and Date: 20140319-20140322
• [Presentation] すばる望遠鏡搭載に向けた8 分割位相マスクコロナグラフの開発(III) (2014)
  • Author(s): 押山史佳, 村上尚史, 平翼, 馬場直志, Olivier Guyon, Nemanja Jovanovic, Garima Singh, Frantz Martinache, 西川淳, 田村元秀, 松尾太郎
  • Organizer: 日本天文学会2014年春季年会
  • Place of Presentation: 国際基督教大学、東京都三鷹市
  • Year and Date: 20140319-20140322
• [Presentation] 高コントラスト撮像光学系における焦点面波面センシングによるスペックルノイズ低減 (2014)
  • Author(s): 佐藤克磨，西川 淳，大矢正人, 堀江正明, 田中洋介，熊谷 紫麻見，黒川隆志，村上尚史
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学、神奈川県相模原市
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] A coronagraph system with unbalanced nulling interferometer : upgrade of 2013 (2013)
  • Author(s): J. Nishikawa, M. Ohya, M. Horie, K. Sato, M. Fukase, N. Murakami, T. Kotani, M. Tamura, Y. Tanaka, T. Kurokawa, S. Kumagai
  • Organizer: The 5th Subaru International Conference “Exoplanets and Disks: Their Formation and Diversity II”
  • Place of Presentation: Sheraton Kona Resort & Spa at Keauhou Bay, Kona, Hawaii, USA
  • Year and Date: 20131208-20131212
• [Presentation] Adaptive optics operation with a focal plane wavefront sensing in a coronagraph (2013)
  • Author(s): M. Oya, J. Nishikawa, M. Horie, K. Sato, M. Fukase, N. Murakami, T. Kotani, M. Tamura, Y. Tanaka, T. Kurokawa, S. Kumagai
  • Organizer: The 5th Subaru International Conference “Exoplanets and Disks: Their Formation and Diversity II”
  • Place of Presentation: Sheraton Kona Resort & Spa at Keauhou Bay, Kona, Hawaii, USA
  • Year and Date: 20131208-20131212
• [Presentation] 系外惑星直接撮像のための高コントラスト光学系の研究：初段補償光学による干渉計内部の波面補正 (2013)
  • Author(s): 堀江正明, 大矢正人, 西川淳, 田村元秀, 藤井紫麻見, 村上尚史, 黒川隆志
  • Organizer: 応用物理学会第52回光波センシング技術研究会
  • Place of Presentation: 東京理科大学、東京都新宿区
  • Year and Date: 20131203-20131204
• [Presentation] 系外惑星直接観測のための焦点面波面センシングを用いたダークゾーンコロナグラフ (2013)
  • Author(s): 大矢正人，西川淳，堀江正明，佐藤克磨，深瀬雅央，村上尚史，小谷隆行，熊谷紫麻見，田村元秀，田中洋介，黒川隆志
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会 Optics & Photonics Japan 2013
  • Place of Presentation: 奈良公会堂、奈良県奈良市
  • Year and Date: 20131112-20131114
• [Presentation] Speckle noise reduction by focal plane wave-front sensing in high contrast imaging optics (2013)
  • Author(s): K. Sato, J. Nishikawa, M. Ohya, M. Horie, Y. Tanaka, S. Kumagai, T. Kurokawa, N.Murakami
  • Organizer: 18th Microoptics Conference (MOC '13)
  • Place of Presentation: Tokyo Institute of Technology, Meguro-ku, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20131027-20131030
• [Presentation] 系外惑星直接撮像のための高コントラスト光学系の研究・初段補償光学による干渉計内部の波面補正 (2013)
  • Author(s): 堀江正明, 大矢正人, 西川淳, 田村元秀, 藤井紫麻見, 村上尚史, 黒川隆志
  • Organizer: 日本天文学会2013年秋季年会
  • Place of Presentation: 東北大学、宮城県仙台市
  • Year and Date: 20130910-20130912
• [Presentation] すばる望遠鏡搭載に向けた8 分割位相マスクコロナグラフの開発(II) (2013)
  • Author(s): 押山史佳, 村上尚史, 平翼, 馬場直志, Olivier Guyon,Frantz Martinache, Nemanja Jovanovic, Garima Singh, 西川淳, 田村元秀, 松尾太郎
  • Organizer: 日本天文学会2013年秋季年会
  • Place of Presentation: 東北大学、宮城県仙台市
  • Year and Date: 20130910-20130912