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THE INFLUENCE OF MOTION AND STRESS ON OPTICAL FIBERS

THE INFLUENCE OF MOTION AND STRESS ON OPTICAL FIBERS. Murphy et al. (2012, SPIE, 8446, 5; arXiv : 1305.0309). Abstract 光ファイバーバンドルを 10 年以上使った時に、透過率と focal ratio degradation (FRD) がどれだけ悪化するか調べたことがこの研究の主な結果 望遠鏡を slew している間は FRD がときどきあるが、観測中は無視できるレベル

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THE INFLUENCE OF MOTION AND STRESS ON OPTICAL FIBERS

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Presentation Transcript

  1. THE INFLUENCE OF MOTION AND STRESS ON OPTICAL FIBERS Murphy et al. (2012, SPIE, 8446, 5; arXiv: 1305.0309) • Abstract • 光ファイバーバンドルを10年以上使った時に、透過率とfocal ratio degradation (FRD) がどれだけ悪化するか調べたことがこの研究の主な結果 • 望遠鏡をslewしている間はFRDがときどきあるが、観測中は無視できるレベル • 模擬的に10年間分ファイバーバンドルを使ったところ、透過率は変わらなかったが、FRDは18本のファイバー全てで悪くなった • ファイバーに小さな割け目ができたことが原因か • 350 – 600 nmの範囲でのFRD悪化の波長依存性は見られなかった • ファイバーを曲げてFRDの大きさを調べたが、曲率半径 10 cm以上ではFRDの悪化は見られず、さらに曲げると若干のFRDが検出された • VIRUSのプロトタイプであるVIRUS-Pのファイバーを調べたところ、局所的せん断により一部のファイバーに大きなFRDが出た • 一部のファイバーで装置全体通しての光のロスが80%以上

  2. 入射光、出射光プロファイル 入射光 画像 とある方向の半径-強度プロファイル 典型的な 出射光

  3. ファイバー曲げ試験 入射光強度が100%になるF比 曲げの 曲率半径 • 曲げ半径10 cm以上ではFRDは検出できなかった • 曲げ半径5 cm以下では微小ながらFRDが検出された

  4. ファイバー曲げ試験 • 主に内側でプロファイルがなまる • 外側のプロファイルのなまりは曲げ半径1.5 cmのみで検出

  5. 望遠鏡駆動中のFRDの測定 • 実験手順 • ファイバーバンドル入射側に、全ファイバーに均一に光が当たるように平行光線をある角度で入射した • 望遠鏡を動かしながら、出射側(ファイバーが一列に並んでいる方)の、デフォーカス像を撮った(左図)。全部で約250,000フレーム • 各フレームと基準(全フレームの平均 or median？)の強度比を計算した (中図) • 中図緑四角内の、y方向数pixel内における強度比のmedianを各x座標で計算し、右図にプロットした。右図には400フレーム分プロットされている

  6. 望遠鏡駆動中のFRDの測定 望遠鏡slew中。移動速度は24.3 – 140 mm/sec。FRDがよく検出される。 天体追尾中。移動速度は0.77 – 1.3 mm/sec。FRDはほとんど検出されない。

  7. ファイバー寿命試験 – 透過率 • ファイバーに擬似的に10.2年分の摩耗を蓄積させ、摩耗行程の前後のFRDと透過率を比較した • 約4か月間に渡って望遠鏡をslewしたときと同じ速さ(24.3 – 140 mm/sec)で動かした。総移動距離 188.7 km • solid yellow: 摩耗行程前の平均透過率 • dashed red: 摩耗行程後の平均透過率 • 平均したのは明らかに透過率の悪いファイバーを除いた17本のファイバーの透過率 • 摩耗行程前後で透過率に変化は見られない 摩耗行程前からだめなファイバー

  8. ファイバー寿命試験 – FRD (1) 摩耗行程前のファイバー(25本)のencircled energy profile • 入射光強度はF = 3.65で100 % • ファイバー出射光の仕様はF = 3.47で95 %以上 • dashed line: 全スライドの異常に透過率が悪いファイバー • ファイバーごとのFRDの大きさがbimodal • ファイバー端面の研磨が悪いものがFRDが大きい

  9. ファイバー寿命試験 – FRD (2) Output F-ratio • blue solid line: 摩耗行程前のprofile • red dashed line: 摩耗行程後のprofile • 入射光の波長は480 nm • テストした18本全てのファイバーでFRDの増加が見られた • 内側のなまりと、外側のハローの広がりの両方が起きている • 端面研磨の悪さ以上にFRD増加 • ファイバーに小さな割け目ができたことが原因か

  10. ファイバー寿命試験 – FRD (3) • 波長ごとのencircled energy profile • 明らかに透過率が低いファイバー以外の全17本の平均 • blue solid line: 摩耗行程前の平均profile • red dashed line: 摩耗行程後の平均profile • 色の違いが入射光波長の違いを表していて、波長範囲は350 – 600 nm • 摩耗行程前も後も違いは見られない Encircled Energy (%)

  11. VIRUS-Pでの経験 (1) • この論文はHETDEX計画で使う装置VIRUSを想定している • VIRUSのプロトタイプであるMitchell Spectrograph (VIRUS-P)の状況を報告 • 観測を開始した2008年と2011年の透過率を比較すると、いくつかのファイバーで透過率が大きく下がっていることが分かった • 一番悪いものは85 %以上悪化 • 左図: 透過率ロスが大きいファイバーの位置 • 黄色: 透過率ロスが5 – 20 % • 橙色: 透過率ロスが20 – 40 % • 赤色: 透過率ロスが40 %以上

  12. VIRUS-Pでの経験 (2) • 左図: flat-field frameのCCD上でのcross-sectional profile • black solid line: 2008年10月 • red dashed line: 2011年3月 • これは波長4500 Å付近での結果だが、他の波長でも見ても同様の結果

  13. VIRUS-Pでの経験 (3) • ファイバーのねじり具合を変えて、ファイバー端面のデフォーカス像を撮影 • 左上図: 一番ひどくねじった時の画像。ファイバーで8の字を作った • 右下図: ねじりを緩めた時の画像 • VIRUS-Pのファイバーのねじれストレスを緩めたところ、透過率が元に戻った • 1年間ほどは調子が良かったが、その後再び透過率が落ちた。今度はストレスを緩めても元に戻らなかった

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