Entwicklung und Charakterisierung von Instrumenten zur hochauflösenden Spektropolarimetrie

Abstract

Kontext Unsere Sonne stellt ein einzigartiges Hochenergie-Plasmalabor dar, welches mit Teleskopen räumlich aufgelöst studiert werden kann. Hier ist es möglich, die moderne Physik an Hand von Beobachtungen zu verifizieren und zu erweitern, welche durch Experimente nicht erfasst werden können. Aktuelle Simulationen der Magnetokonvektion zur Beschreibung der dynamischen Vorgänge erreichen zum Beispiel in der solaren Photosphäre eine räumliche Auflösung bis zu 6km bei einer Wellenlänge von 500nm und modellieren im Ansatz die Entstehung von Poren, Sonnenflecken oder koronalen Massenauswürfen. Mit Hilfe hochaufgelöster spektropolarimetrischer Beobachtungen und den daraus gewonnenen zweidimensionalen Karten der Dopplergeschwindigkeiten und zugehörigen magnetischen Feldvektoren in unterschiedlichen solaren Atmosphärenschichten müssen diese Modelle überprüft werden. Durch den Bau eines neuen bodengebundenen 4 m-Teleskops und der Entwicklung eines zweidimensionalem Spektropolarimeters stehen in naher Zukunft Werkzeuge zur Verfügung, um hochdynamische, kleinskalige Prozesse für wissenschaftliche Studien zu beobachten. Zielsetzung Entwicklung eines Simulationsalgorithmus zur Beschreibung der instrumentellen Einflüsse eines zweidimensionalen Spektropolarimeters auf physikalische Messungen. Das zu entwickelnde Filterinstrument besteht aus einem Vorfilter, einer Kombination aus zwei oder drei Fabry-Pérot-Interferometern (FPI) und einem Polarisationsmodulator. Da die induzierten Fehler auf wissenschaftliche Beobachtungen nicht vernachlässigbar sind, ist es notwendig, passende Methoden zur Datenkalibration zu entwickeln. Aus den simulierten Fehlern auf physikalische Messgrößen und den Untersuchungen zur Datenkalibration werden aus den Ergebnissen Bedingungen an den Herstellungsprozess des Filterinstrumentes abgeleitet, sodass die geforderte physikalische Messgenauigkeit erfüllt ist. Methoden Da das Kiepenheuer-Institut ein baugleiches Instrument auf Teneriffa am Vakuum-Turm-Teleskop am Observatorio del Teide betreibt, wurde hier eine Charakterisierungskampagne durchgeführt, um die instrumentellen Einflüsse auf wissenschaftliche Beobachtungen unter realistischen Bedingungen zu bestimmen. Diese Untersuchungen bildeten die Grundlage der im Simulationsalgorithmus berücksichtigten instrumentellen Fehlerquellen: Mikrorauigkeit, Reflektivitäts- und Formfehler der Plattenoberflächen der FPIs, das Photonenrauschen, dem Öffnungsverhältnis des Strahlengangs und der Abstand der einzelnen FPIs zu einer definierten Fokalebene des Teleskopes. Formfehler, die Mikrorauigkeit und Reflektivitätsfehler der Plattenoberflächen der FPIs verschieben und verbreitern zum Beispiel das zu beobachtende Linienprofil. Daher wird ein Fehler in zu ermittelnden Dopplergeschwindigkeits- oder Halbwertsbreitenkarten der solaren Oberfläche induziert. Außerdem gibt der Photonenfluss, bzw. das Photonenrauschen die Sensibilität für Messungen der magnetischen Feldstärke vor. Zum Studium der Messgenauigkeit des Filterinstrumentes wurden Beobachtungen der ruhigen Sonne in der Photosphäre simuliert und an Hand dessen der Einfluss instrumenteller Fehler angegeben. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss zweier unterschiedliche Konfigurationen des Instrumentes auf wissenschaftliche Sonnenbeobachtungen untersucht: Instrument 1 mit einer spektralen Bandbreite 3.8pm und Instrument 2 mit 6.1pm (die spektralen Bandbreiten gelten für eine Wellenlänge von 630 nm). In den Simulationen wurden die Positionen der FPIs im optischen Strahlengang einmal als theoretisch genau in der Fokalebene liegend angenommen und das andere mal in einem spezifischem Abstand hierzu, wodurch der Effekt einer defokussierten Installation der einzelnen Interferometer untersucht werden konnte. Ergebnisse Die Simulationsergebnisse für die Mikrorauigkeiten konnten zeigen, dass eine defokussierte Installation der FPIs im Strahlengang, in Abhängigkeit zum Öffnungsverhältnis, die induzierten Fehler in den Linienkernpositionen reduziert, jedoch die Halbwertsbreiten stark zunehmen. Außerdem konnte der in dieser Arbeit entwickelte Kalibrationsalgorithmus an Hand der Simulationen verifiziert werden und stellt ein effektives Werkzeug zur Reduzierung der induzierten Linienverschiebungen, bzw. Dopplergeschwindigkeitsfehler um einen Faktor 10 dar. Zusammenfassend wurden aus den simulierten Beobachtungen und der Effektivität der Kalibrationsmethode die Grenzwerte für die Oberflächenqualität der FPIs für den Herstellungsprozess abgeleitet, sodass die geforderte physikalische Messgenauigkeit erfüllt ist. Aus einem Vergleich beider Instrumente konnte gezeigt werden, dass für die geforderte Messgenauigkeiten das Instrument mit geringerer spektraler Auflösung die Anforderungen am Besten erfüllt und somit realisiert wird. Ausblick In der vorliegenden Arbeit wurde ein Softwarepaket entwickelt, welches die relevanten, beeinflussenden Parameter auf wissenschaftliche Beobachtungen mit einem zweidimensionalen Multi-Fabry-Pérot-Spektrometer mit Polarisationsmodulator beschreibt. Für zukünftige Projekte steht nun ein Werkzeug zu Verfügung, mit Hilfe dessen verschiedene Instrumentenkonfigurationen an Hand simulierter Beobachtungen getestet und optimiert werden können. Somit ist eine Möglichkeit geschaffen, die benötigte Oberflächenqualität der FPIs, die Form und Transmission des Vorfilter und die Effizienz des Polarisationsmodulators aus Bedingungen an die Messgenauigkeit abzuleiten. Zusätzlich kann das hier entwickelte Softwarepaket auch dazu verwendet werden, Beobachtungsszenarien zu entwickeln (Belichtungszeiten, Anzahl spektraler Abtastschritte, Akkumulationen, ...), welche von der Größe und zeitlichen Entwicklung, den zu erwartenden zugehörigen Magnetfeldern und dem Photonenfluss in der Detektorebene der zu untersuchenden solaren Strukturen vorgegeben wird. Context Our Sun is an unique high-energy plasma physics laboratory, which can be studied with exceptional spatial and temporal resolution. Using dedicated telescopes, it is possible to verify and enhance our knowledge about aspects of modern physics unaccessible to any experiments on earth. State of the art magneto-hydrodynamic simulations of the solar photosphere have a spatial resolution of 6km at a wavelength of 500nm and model the dynamics of solar pores, sunspots and coronal mass ejections. The theoretical models have to be evaluated in different atmospheric heights with highly resolving spectro- olarimetric observations. Therefore, the international solar community started to build a 4m-class telescope. Furthermore an imaging spectro-polarimeter for visible light is developed. This is an unique tool to access highly dynamical, small scale processes on the solar photosphere and chromosphere for ground breaking scientific research. Objectives Development of a simulation algorithm to describe the influence of instrumental imperfections on two dimensional spectro- polarimetric observations. The aim is to study the consequences for physical measurement accuracy. The filter instrument consists of two or three Fabry-Pérot-Interferometers in telecentric mounting, a pre-filter and a polarisation modulator. Since induced errors are relevant for scientific research it was also necessary to develop and study a dedicated new calibration algorithms. The simulated measurement errors in combination with the newly developed calibration method enables us to define limits for the manufacturing process of the filter instrument to achieve the demanded accuracy. Methods Since a similar, yet smaller instrument is operated at the Vacuum-Tower- Telescope on the Canarian Island Tenerife, it was used as a test bed to characterize realistic instrumental induced errors. This defined the relevant parameters of the filter instrument for scientific research which were modelled: the etalons surface micro roughness, a varying reflectivity, plate figure errors, the photon noise, the relative aperture and the distance of the individual etalons to a defined focal plane of the telescope. Micro roughness, reflectivity and plate figure errors will shift and broaden the observed line profiles. Thus an instrumental error is induced in calculated Doppler velocity and full width half maximum maps of the solar surface. Additionally, the magnetic measurement sensitivity is limited by noise . Therefore, simulated observations of the quiet Sun were performed for two instrument configurations to study their measurement capabilities. One instrument is simulated with three etalons and a spectral bandwidth of 3.8pm and the other with two etalons and 6.1pm (spectral bandwidth is given for wavelength of 630 nm). To study the effect of a defocused mounting of the etalons on the optical axis, the simulations were carried out for the instruments theoretical in a focal plane and at specified distances. Results Dependent on the relative aperture, the simulations for micro roughness could clearly demonstrate that a defocused mounting of the etalons reduces the induced line shifts. On the other hand it was shown that the full width half maximum of observed line profiles is accordingly increasing. The simulated observations of the quiet sun also demonstrated, that the developed calibration algorithm is capable to reduce the errors in line core positions effectively by a factor 10. As a result of the simulation for instrumental errors and the calibration algorithm, limits for the manufacturing process have been provided to match the required measurement accuracy. Comparison of both instruments indicates that the configuration with a lower spectral bandwidth is fitting the demanded measurement accuracy best. Outlook A suitable software package was developed to simulate solar observations with a Multi-Fabry-Pérot-Spektropolarimeter. For future purpose different instrument configurations can be evaluated and optimized. Therefore we are now able to specify i.e. the required surface quality of the etalons, the desired shape and transmission of the pre-filter and the accuracy for polarisation modulator. Furthermore the simulation can be used to define observation setups (exposure time, number of scan steps, accumulations, ...). This is depending on size and temporal evolution of the solar structure, expected corresponding magnetic field strength and photon flux at the detector plane.