すばる望遠鏡レーザーガイド星⾼出⼒化と性能評価
国⽴天⽂台ハワイ観測所
美濃和 陽典⼤野良⼈、⼟井由⾏、⽥中陽⼦、坂東貴政、吉⽥裕茂、
寺尾 航暉、沖⽥博⽂、Matt Wung, Lucio Ramos (ハワイ観測所)、秋⼭正幸、⼤⾦原 (東北⼤)
本研究は、以下のJSPS科研費の助成を受けて⾏われました。
基盤研究（S）︓すばる望遠鏡トモグラフィー補償光学で明かす銀河⾻格の確⽴過程(PI: 秋⼭正幸＠東北⼤）12/21/2022

可視⾚外線観測装置技術ワークショップ 20221

レーザーガイド星とは︖
⾼層⼤気（~90km)にあるNa原⼦が、波⻑589nmのレーザーを照射する事で、励起され、発光する。

© Sean Goebel

⼤型望遠鏡（8-30m)では必須の技術

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すばるレーザーガイド星システム• すばる望遠鏡では2011年より運⽤• 和周波レーザー（5.4Wパルス）• 光ファイバー転送（2.4W@LLT）• ファイバー経年劣化により1W以下に減衰
à 2019年に運⽤停⽌•レーザー⾼出⼒化（2019-2022)••

TOPTICA社の22Wレーザー
レーザー伝送をファイバーから鏡へà 2023年から共同利⽤を再開

12/21/2022

可視⾚外線観測装置技術ワークショップ 2022

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TOPTICAファイバーレーザー
Electric Cabinet (EC)

Laser Head (LH)

ポンプレーザー(1120nm, ~100W)

増幅器

⼆次⾼調波発⽣器

8m, 30m望遠鏡では標準のレーザー
ELT

λ=589 nm波⻑計
光ファイバー

シードレーザー(1178nm, 50mW)

https://www.toptica.com/products/single-frequency-lasers/sodiumstar-toptica-projects

TMT Laser Guide Star Facility(TOPTICA laser x 9)4

要求仕様と主要開発検討、評価項⽬獲得する（した）技術

要求仕様:

1. TOPTICAレーザーの性能評価

Item

Spec.

Rationale

Brightness

R < 9.5x10 brighter than before

Spot size< 1”.2

Dominated by seeing
Moderate seeing @589nm~ 0”.9 x SQRT(2)Drift< 1”.0Within a stroke of the WFS
tip/tilt mirror.

Jitter< 0”.25 RMS

Dominated by telescopevibrations.

(moderate seeing)•••

マウナケア上空でのPhoton Return
スポットサイズ評価
偏光特性評価2. レーザー送信系の制御と安定性•••

20m以上の⻑距離レーザー伝送
望遠鏡のたわみによるアライメントずれ補正
レーザーガイド星のjitter評価

3. レーザーセーフティ
••

下位要求:
••
•
•

Total throughput > 90 % (20W on sky)Surface quality/optical surface < λ/20 RMS
Active alignment control in the laser relay path
Higher resonant frequency than the telescope structure.
12/21/2022

将来の⼤型望遠鏡で必須となるLGSの特性評価、要素技術の獲得• ULTIMATE-Subaru
Ø 本開発の経験を元に新設計
Ø 現⾏システムを仕様値確認のためのテストベッドとして使⽤。

PLCによるClass 4レーザー安全装置の開発
Administrative Control⼿法の開発、実践

4. 複数レーザー (LGS asterism)••

1ビームを分割し複数のLGSを⽣成
LGSを任意の位置に配置する制御

可視⾚外線観測装置技術ワークショップ 2022

• TMT/GMT/ELTØ すばるでの試験結果を共有し、TMT /GMTのLGSF設計に反映

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すばる新レーザーガイド星システム概要
Location
CSTR
IH
LLT

> 20m long relay of mirrors including 28 opOcal surfaces

TotalOptics
Throughput Source
HWP1
0.9961 CVI datasheetTFP
0.9866 FNO datasheet
M1
0.9999 FNO datasheet
HWP20.9961 CVI datasheet
QWP
0.9961 CVI datasheet
M20.9999 FNO datasheet
M3 (FSM)0.9999 FNO datasheet
Window
0.9960 Newport datasheet
M1
0.9999 FNO datasheet
M2 (FSM)0.9999 FNO datasheet
M1
0.9999 FNO datasheet
M2
0.9999 FNO datasheet
M1
0.9999 FNO datasheet
M2 (FSM)0.9999 FNO datasheet
M30.9999 FNO datasheet
M40.9999 FNO datasheet
M50.9999 FNO datasheet
G10.9980 Koshin datasheet
G20.9980 Koshin datasheet
G3
0.9980 Koshin datasheet
M60.9999 FNO datasheet
M70.9999 FNO datasheet
M80.9960 (Specification)
LLT
0.9500 (Specification)
0.91226

望遠鏡への搭載
望遠鏡に穴開けレーザー、トラス取付
スパイダーリレー取付
送信望遠鏡取付

2020年11月
2021年2-3月
⾼所作業、⾼所作業、⾼所作業…

2021年10月
2021年12月

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試験観測• 2022年3⽉2⽇
ファーストラウンチ

あっさりと明るいLGSができてしまった！
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ナトリウムレーザーガイド星の⽣成原理• ナトリウムD線••

32S1/2(基底）↔ 32P3/2(励起)(F=2, m=2) ↔ (F=3,m=3)で振動⼦強度が最⼤• 偏光度に対する依存性••

線偏光: Δm=0の遷移を許容
円偏光: Δm=+1,-1の遷移を許容• サチュレーション•

基底状態(F=2)の原⼦がある程度の確率で励起状態（F=2）に遷移•励起状態(F=2)のうち、⼀部は基底状態(F=1）に移り、D2a線に合わせたレーザーでは励起できなくなる。

•

再励起するには、D2b線が必要。

• 地磁気の影響

ナトリウムD線の遷移図 (Moussaoui et al. 2009)•

地磁気により原⼦の歳差運動が起きる（ラーモア歳差運動）•

歳差運動により基底状態（F=2,m=2)の原⼦が存在できる確率が変化•

レーザーの⽅向と地磁気が重なる場合は影響ゼロ、90度の場合は影響最⼤9

NaD2b線の割合の最適化• TOPTICAファイバーレーザーはNa D2a線に合わせたレーザーのうち、⼀部をD2b線の波⻑に分配する機能がある（repumper)
LGSの明るさ

offD2aon (10%)

D2aD2bD2a線強度に対するD2b線強度の割合• Repumperのamplitude（D2b線の強度割合）によりLGSの明るさが変化することを確認。12~13%程度の割合で強度が最⼤にない、その後は変化がない。
• 過去の⽂献での最適数値と⼀致（Holzlohner+2010)

LGSの明るさの偏光依存性• 診断光学系内の1/2波⻑板、1/4波⻑板を調整し、LGSの明るさが最⼤になる組み合わせを探す• 半波⻑板だけを360度回転させて円偏光↔線偏光の状態を繰り返す• 線偏光と円偏光で期待されるLGS photon return~2倍の差~1.5倍の差

θ=0

θ=43.5

θ=0, q=0.13

LGSの明るさ~1.5倍の差

θ=90, q=0.13

θ=0, q=0.0

θ=90, q=0.0

円線

q=0.13q=0.0

円• 観測時の磁場の⽅向（θ=43.5）を考慮すると観測結果と⼀致（円偏光に近い状態でレーザーを射出）
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地球磁場に対する依存性
マウナケアにおける地磁気の影響（Airmassの影響を加味）N• レーザー射出⽅向と地球磁場の⽅向は(Az,EL)=(190,37)で⼀致。
• Airmass（X）の影響を加味すると、(Az,EL)=(190,59)でLGSの明るさが最⼤となると予測される。
• 試験観測で取得したLGSの明るさの傾向とほぼ⼀致。

EW

S
マウナケアにおける地球磁場の方向

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LGSの明るさ• TOPTICAレーザー(21W@LLT)により旧レーザー(2.4W@LLT)と⽐べて~10倍明るいLGSを⽣成• 上空に射出されたレーザー出⼒は~17.2W (TLLT~80%)• LGSの明るさは過去の⽂献の推定値と良く⼀致

Holzlohner et al. 2010 13

LGSのスポットサイズ

LGSスポットサイズが最小になるように、ビームエクスパンダーによりビームの広がり角を調整測定されたLGSスポットサイズ（FWHM)
実線はレーザーの回折とシーイングから予測されるスポットサイズ

14レーザービームアライメント制御
レーザーリレー模式図

トップリング• レーザーはセンターセクションに取り付けられたヘッド（LH）から、副鏡裏に取り付けられた送信望遠鏡（LLT)まで、20m以上の光路を通って伝搬する。
• LLTとLHの相対位置は、望遠鏡のたわみによりEL毎に変化する。
• 光路中に置いたレーザー位置センサー（PSDx2︓測定点4）を使って、送信望遠鏡内のレーザー光線の位置 (x,y)、傾き(tx,ty)を求め、それを⼀定に保つように光路中に置いたステアリングミラー（４⾃由度）を使って補正する制御をかける。

Steering Mirror Angle [arcsec]

センターセクション

3050
Y [arcsec]

望遠鏡たわみによるアライメントずれ

70
EL=90

R<1”
Elevation [deg](Morris et al. 2020)

LGSスポットのドリフト（EL=30-90)

ステアリングミラーの調整範囲

可視⾚外線観測装置技術ワークショップ 2022

X [arcsec]

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新レーザーによるAO188の補正性能
Kバンド（λ=2.2μm)での星像の半値幅とストレール比

シミュレーションで予測される性能向上• 旧レーザーでの性能とほぼ⼀致、明るいtip/tilt星では性能劣化︖• シミュレーションでは全体に渡り性能向上が⾒込まれている• 今後、⻑期間モニターにより性能、安定性の評価を継続

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まとめItemSpec.

Measured

Brightness

R < 9.5

8.5 – 10.0
(worse at Northern sky)Spot size< 1”.2< 1.”2 under moderate seeing

Drift< 1”.0< 1”.0 at EL=30-90(improve the control algorithm)

Jitter< 0”.25 RMS

To be tested(moderate seeing)• すばる望遠鏡のレーザーガイド星⽣成システムをTOPTICA社の⾼出⼒レーザー（22 W) を⽤いてアップグレードした• ⾼出⼒化に伴い、これまでのファイバー伝送が不可能になった
ため、新たに鏡による伝送システムを開発した• 新レーザー、及びリレーシステムは3/2/2022に初射出を⾏い、性能評価を⾏った• レーザー性能は概ね要求仕様を満たすことができた。
ただし、補償光学性能の向上が期待より悪く、継続調査中。
• S23AよりLGSモードの共同利⽤が再開される。
• LTAOモードで⽤いる４ビーム分割光学系を搭載するため、2022年度末に送信望遠鏡の再改修を⾏う。
• ULTIMATE-Subaru、将来のTMTのための試験環境を構築。