高光谱分辨率积分视场光谱仪光学系统研究

Fiber Arrayed Solar Optic Telescope（FASOT）is the first time using integral field unit (IFU) and polarization analysis technology in solar observations. Comparing with optical fiber spectrograph of some international optic telescopes, integral field unit spectrograph attached to FASOT demands higher spectral resolution and faster input focal ratio. Besides, multi-grating and multi-CCD splicing technologies are not available for spectrograph of FASOT. Because of these causes, the optical design of integral field unit spectrograph of FASOT has met greater difficulties. A novel optical design of a fiber-fed high resolution spectrograph, can be used in FASOT or other similar equipments based on IFU, is presented, which will provide the basic technical support for the high spectral resolution integral field spectrograph in solar optic telescope. For high resolution and optical efficiency, the double pass collimating system and echelle grating are used. The focal plane of diffracted light don't overlap with input plane and there is a mirror at the focal plane, which can be imaged in CCD though the imaging system. it’s worth noting that two methods are used in optical design for reducing the number of spectrographs so that the development cost and space cost can be reduced. First, The two-column staggered fibers are used in pseudo-slit of IFU for improving efficiency in the use of CCD. Second, the segmented pseudo-slit and several corresponding mirrors at the focal plane can realize more than one CCD in a spectrograph.

光纤阵列太阳光学望远镜(FASOT)首次将积分视场单元（IFU）和偏振分析技术结合起来运用到太阳观测中。对比国际上其他望远镜所配的光纤光谱仪，FASOT望远镜光谱仪要求光谱分辨率更高，入射焦比变化更快等特点，光谱仪所用光栅和CCD不能采用拼接技术，这都加大了光谱仪光学系统的设计难度。本项目提出一种新的高光谱分辨率积分视场光谱仪光学设计方案，可用于FASOT望远镜及类似基于IFU的设备中，这将为研制出具有高光谱分辨率的太阳积分视场光谱仪提供技术基础。该方案利用阶梯型光栅，采用double pass准直系统设计，聚焦后的焦面与光谱仪赝狭缝空间错开，并且在焦面处加入一个场镜，再通过成像系统将焦面上的像成像到CCD上。该方案中IFU赝狭缝端光纤采用双列错排形式，并且采用赝狭缝分段和对应场镜来实现同一台光谱仪中包含多于一台探测器同时采数，减少光谱仪的数量，降低研制成本。

本项目主要研究任务是为基金委国家重大科研仪器研制项目支持（项目批准号11527804）的光纤阵列太阳光学望远镜(FASOT)研究设计可使用的高光谱分辨率积分视场光谱仪光学系统。对比国际上其他望远镜所配的光纤光谱仪，FASOT望远镜终端光谱仪要求同时具有高光谱分辨率，长狭缝（狭缝处光纤排列分成两段，共672根光纤），快入射焦比等特点。本项目研究设计的光谱仪光学系统结构如下：IFU出射光进入光谱仪准直系统1，准直后的光束照在阶梯光栅上衍射，衍射光束经过成像系统1成像在中间焦面处，焦面处放置场镜将狭缝中两段光纤的视场分开，分开后的两支光束进入各自后端的准直系统2和成像系统2，最终成像在探测器上。本设计优点如下：1）采用物方远心光路设计，光栅置于准直系统1出瞳处，优点是在光栅处加入瞳面光阑挡掉杂散光的同时也能保证所有光纤渐晕基本一致，便于数据处理时图像重构。2）准直系统1采用抛物面反射镜加焦面改正透镜的结构设计，避免全折射式结构受大尺寸玻璃材料的限制，也避免Schmidt改正板结构要求IFU出射端为曲面和离轴三反结构所带来高加工成本和装调困难的问题。3）成像系统1是一块抛物面反射镜，与准直系统1中的抛物面反射镜光学参数一致，减少加工成本。4）中间焦面置于成像系统1的曲率中心且同时位于准直系统2抛物面反射镜的曲率中心，此设计可使两抛物面反射镜各自引起的像差得到较好的抵消。光谱仪光学系统设计完成，指标如下：狭缝长103mm(672根光纤) ，入射焦比F/6，光谱分辨率110000@520nm，观测波段500nm-900nm，光学系统像质接近衍射极限成像。光学系统杂散光分析，热分析和公差分析也按期完成。研究成果包含一篇发明专利，一篇实用新型专利，一篇期刊论文。本项目研究设计的高光谱分辨率积分视场光谱仪光学系统方案已投入应用，所有光学元件目前正在加工，预计2020年底将装调两台光谱仪安装在FASOT望远镜终端。本项目研究设计的光谱仪也适用于安装在直接成像的望远镜终端。项目的研究成果可促进IFU技术在我国天文观测领域的应用，能为将来类似科学仪器提供技术经验。