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Technologies for improving the precision of radial velocity measurements with high-resolution, fibre-fed échelle spectrographs

Stürmer, Julian

German Title: Techniken zur Verbesserung der Präzision von Radialgeschwindigkeitsmessungen mit hochauflösenden, fasergekoppelten Échelle Spektrographen

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Abstract

The objective of the dissertation is to investigate instrumental limitations of high-precision radial velocity measurements with fibre-fed échelle spectrographs and to develop technologies to overcome these limitations. It is composed of two parts: The first part investigates the optimal use of optical fibres to reduce the sensitivity of spectrographs to unstable coupling conditions at a telescope. In the framework of CARMENES, a high-resolution spectrograph project, optical properties of appropriate fibres are investigated with the aim of determining the optimal solution for the particular requirements of this instrument. Scrambling and focal ratio degradation behaviour of non-circular fibres are measured and optical simulations of the stability performance of CARMENES are presented. The results provide a strong indication that a 1 m/s radial velocity measurement precision, which is the goal of CARMENES, can be reached by combining an octagonal with a circular fibre. The second part describes a novel method of stabilizing a broadband Fabry-Pérot etalon for spectrograph calibration. By using Doppler-free saturated absorption spectroscopy, a single etalon transmission peak is locked to hyperfine transitions of rubidium. For reasonable astronomical integration times, a locking precision of 3 cm/s is demonstrated.

Translation of abstract (German)

Zielsetzung der Dissertation ist es, instrumentelle Limitierungen von hoch-präzisen Radialgeschwindigkeitsmessungen mit fasergekoppelten Échelle Spektrographen zu untersuchen und Techniken zu entwickeln um diese zu überwinden. Die Arbeit besteht aus zwei Teilen: Der erste Teil untersucht den optimalen Einsatz optischer Fasern um die Empfindlichkeit von Spektrographen auf unstabile Kopplungsbedingungen an einem Teleskop zu reduzieren. Im Rahmen von CARMENES, einem hoch-auflösenden Spektrographen Projekt, werden optische Eigenschaften von geeigneten Fasern untersucht, um die beste Lösung für die speziellen Anforderungen des Projektes zu finden. Scrambling und Strahlaufweitung von nicht-runden Fasern werden gemessen und die Stabilität von CARMENES mit Hilfe optischer Simulationen analysiert. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass eine Präzision der Radialgeschwindkeitsmessung von 1 m/s, welche somit auch den Anforderungen von CARMENES genügt, mit einer Kombination aus einer oktagonalen und einer runden Faser zu erreichen ist. Der zweite Teil beschreibt eine neuartige Methode zur Stabilisierung eines breitbandigen Fabry-Pérot Etalons zum Zwecke einer Spektrographenkalibration. Mit Hilfe von Doppler-freier Absorptionsspektroskopie wird eine einzelne Etalon Transmissionslinie bezüglich der Hyperfeinübergänge von Rubidium stabilisiert. Für typische astronomische Integrationszeiten kann hiermit eine Präzision der Stabilisierung des Etalons von 3 cm/s erreicht werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Quirrenbach, Prof. Dr. Andreas
Date of thesis defense: 29 January 2015
Date Deposited: 11 Feb 2015 15:06
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Controlled Keywords: Radialgeschwindigkeit, Faseroptik, Lichtleitfaser, Spektroskopie, Dopplerfreie Spektroskopie, Fabry-Pérot-Resonator
Uncontrolled Keywords: Échelle Spektrograph, Etalon, Dopplerfreie Rubidiumspektroskopie
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