大型天文望远镜中星像传输光纤的关键技术研究

It is revolutionary to introduce optical fiber technologies into astronomical optics and astronomical telescope. ‘Large Sky Area Multi-Objective Fiber Spectroscopic telescope’(LAMOST), one that possesses the highest spectrum acquiring rate in the world, have been constructed successfully in our country employing as many as 4000 astrology transmission optical fibers. In this project, we are going to develop a kind of special multi-core fibers with the functionalities of star-image guiding and f-ratio matching, research structural designs and parameter optimization of optical fibers. Meanwhile, the design of the input/output optical fiber lens, the separation technology of information light in the guiding star optical fibers and the consistency method and technology of such optical fibers will be studied. New optical components eliminating the optical fiber transmission inconsistency will be constructed based on such fibers and the key problem of the accurate connection and control in the LAMOST will be solved. The project can further improve the spectrum detection performance of astronomical telescope and pave the way for the design and fabrication of Nantian LAMOST, the next generation of our country’s LAMOST, providing key devices and equipment supports.

天文光学技术和天文望远镜中引入光纤技术具有革命性的意义，我国成功建造的“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”（LAMOST）中采用光纤进行大天区、多目标探测，高达4000根星像传输光纤使其成为世界上同时探测目标最多、效率最高的天文光谱望远镜。本项目拟发展具有集星像导引、焦比匹配于一身的特种多芯光纤，开展星像导引用特种多芯光纤的结构设计与参数优化、输入输出光纤端复合透镜设计、星像转接光纤中导星芯信息光的分离，以及特种光纤星像光谱传输的一致性调控方法与技术研究。构建多芯光纤星像转接新功能光学部件，消除光纤传输的不一致性，解决光谱天文望远镜的大探测天区、多目标接收时的星像转接精确控制关键问题，进一步提高天文望远镜的光谱探测性能，为我国下一代南天“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”的设计与建造奠定关键技术基础，提供关键器件与设备支撑。

本项目设计了一种具有自导引对准功能的多芯星像传输光纤，该光纤由一个纯石英星像传输芯和多个纯石英导星芯组成。星像传输芯位于光纤中心，导星芯围绕星像导引芯均匀分布。星像传输光纤包层为氟掺杂石英。项目对该光纤的横向耦合、模式激发、对准导引能力等特性进行了详细研究并在此基础上对星像传输光纤的结构参数进行了优化。由于多芯星像传输光纤包层掺氟浓度高，光纤尺寸大，制造工艺会非常复杂，成本也会相对较高，项目经费难以承担，故项目进行了微小调整。我们分别利用传统通信光纤材料制备了5芯星像传输光纤和利用光纤堆积法成功研制了多芯星像传输光纤探头，并对堆积法制备光纤探头的对准导引能力进行了实验测试。实验结果表明该探头可在光斑横向偏移量在-310~-168 μm和150~308 μm范围内时提供对准导引信号。.项目设计并外协加工了用于光纤端面的微透镜，实现了光纤与微透镜的粘接。对比测试了裸光纤系统和微透镜—光纤系统的焦比蜕化特性。实验结果表明：微透镜—光纤系统的传输效率可达70% ~ 81%@632.8 nm，明显高于裸光纤系统（50%@632.8 nm）。并在LAMOST系统上测试了微透镜—光纤系统。.项目还对多芯光纤信号分离技术进行了研究。使用两个梯度折射率透镜，致力于实现灵活、紧凑、简单、高效的多芯光纤纤芯到单根光纤的通道耦合。在这种装置中，两个梯度折射率透镜优化组合像倒置望远镜成像系统一样可以实现同轴组装，双透镜耦合系统将多芯光纤的芯间距扩大到足以与单根光纤连接的距离。仔细挑选、精心准备元器件和合理的组装设计将有助于降低器件的耦合损耗。分析表明，如何避免横向位移以及光纤端面楔角是器件制备过程中的技术关键。.项目设计的多芯星像传输光纤、光纤端面微透镜以及多芯光纤分离技术可以为大型天文光纤光谱望远镜星像传输光纤对准提供导引，有助于提高星光光谱采集效率和传输效率；所进行的多芯光纤分离技术研究能为解决多芯光纤信号分离这一难题提供参考，为进一步提高天文光纤光谱望远镜观测效率具有重要意义。