南极Dome-A太赫兹天文望远镜准光学系统仿真分析及实验研究

太赫兹天文观测是观测早期遥远天体，研究宇宙中冷暗物质、星际尘埃和气体分子云等的重要波段，而南极Dome-A区域具有极低温、高海拔等特点,大气水汽含量在现有台址中最低，是进行太赫兹天文观测的理想台址。我国计划在"十二五"期间研制南极Dome-A 5米口径太赫兹天文望远镜。准光学系统是太赫兹天文望远镜中的重要组成部分，它实现天线系统与各探测器之间的准光学耦合。南极Dome-A 环境要求准光学系统具有小型化、无机械可动装置以及适应极端环境温度变化等特点，其方案设计依赖于一套适用于太赫兹频段的快速而准确的准光学系统数值分析方法的建立，而该方法的可靠性又需要通过高可信度的实验测量手段加以证认和评估。本申请项目拟针对南极Dome-A 5米口径太赫兹天文望远镜的应用需求，开展准光学系统方案设计、波束特性数值分析和实验证认等方面的研究工作，为我国南极太赫兹天文望远镜的建设打下重要基础。

本申请项目拟针对南极5米太赫兹天文望远镜（DATE5）的应用需求，开展准光学系统设计、波束特性数值分析和实验证认等方面的研究工作。主要研究成果包括：1）提出了一种新型的基于波前传播的电磁仿真分析算法，该算法可以看成是传统物理光学算法对折射光学问题的一种扩展,可以用来分析同时包含金属反射镜面和介质透镜的复杂光学系统。2）针对DATE5望远镜需求，设计了一套双频段（0.9/1.4THz）准光学方案，该方案具有近凑的布局和高可靠性，适应南极极端台址条件的设计需要。利用本课题自主研发的物理光学分析软件对该准光学方案的波束特性进行了分析，满足设计要求。3）搭建了太赫兹矢量场形测量平台，该平台采用超导HEB混频器作为核心器件的超外差接收机，采用准光型探头和基于高速采样的中频处理电路，实现幅度和相位的二维平面扫描，具有宽带、高灵敏度、高动态范围等优点。利用该测量平台在0.9THz频段附近开展了平面双槽椭球透镜天线辐射特性的实验研究，实验和仿真结果之间取得了较好的吻合度。