大型积分视场单元（IFU）关键技术研究

To fit the requirement of more finely studying on galaxy evolution and operation mechanism of the Sun, we need to develop large-scale high-resolution fiber integral field units (IFUs), which including thousands of fibers. This fiber IFU could be affected by series of factors, such as low-loss transmission wavelength of fiber, the diameter of fiber cores, the thickness of fiber cladding and buffers, numerical aperture of fibers, structure and thickness of the microlens array, arrangement and location method of fibers in the microlens end and the pseudo slit array end, choice of epoxy and its curing method etc. We propose an integrated method for deigning fiber IFUs by considering the telescope and spectrometers simultaneously. The microlens and fibers are chosen reasonably, by synthetically considering the exit pupil of the telescope or subsequent equipments and resolution of the spectrometer. We present micro-hole location method in the microlens end to fit the requirement of fabricate a large-scale fiber IFU. We raise fixing method without strain in fiber ends in the pseudo slit side to fit the requirement of magnification and pixel intervals. We present effective method to keep focal ratio to fulfill high spectral resolution. All these key technologies not only be the basic of building high-resolution fiber IFUs in China, but also can be applied to update telescopes for multi-objects observation. Hopefully this work could be a part of improving capabilities of universe detection in China.

为满足更精细探索星系演化规律、太阳运行机制等需求，需要研发大型（包含数千至数万根光纤）的高分辨率光纤积分视场单元（IFU）。影响这种大型光纤IFU性能的因素很多，包括光纤的低损耗传输波长、芯径、包层及缓冲层厚度、数值孔径、微透镜的结构与厚度、微透镜端光纤排列及定位方法、赝狭缝端光纤定位方法、环氧树脂胶的选择及固化方法等。本项目提出兼顾望远镜和光谱仪的一体化光纤IFU设计方案，综合考虑望远镜（及后置附加设备）的出瞳及光谱仪分辨率，合理选择微透镜和光纤；提出微透镜端石英板打孔定位方案，解决大型光纤IFU的制作效率问题；提出赝狭缝端无外应力固定方案，并满足光谱仪放大比例要求和暗区像素间隔要求；提出焦比退化有效控制方案，满足高分辨光谱分析需求。这些关键性工作不仅为我国自行研制高分辨率光纤IFU奠定理论及实验基础，而且形成的研究结果可以应用于多目标光纤望远镜的优化和升级，提升我国星空探测的能力。

光纤积分视场单元（IFU）是天体三维光谱成像技术最为关键的器件，承担着天体像面分割、光学信号传输和光路重整的任务。随着天文观测的要求越来越高，光纤积分视场单元所应用的光纤数量由初期的数百根发展到数千根并向着数万根方向发展。.本项目计划探索一套高空间分辨率的大型光纤IFU设计、制作方法，为我国制作大型星系、太阳观测装置，或升级现有多目标天文光谱望远镜储备理论和技术。.在本项目中，完成的研究内容和取得的成果如下：.1）基于光纤积分视场单元的基本结构，依据光纤阵列太阳望远镜（FASOT）科学目标，研究了光纤积分视场单元设计中，前后光学系统和积分视场单元各相关参数间相互影响机制；优化设计了具有8064根光纤的大型光纤积分视场单元的整体结构，包括光纤几何参数、排列方式、微透镜光学参数、机械结构参数等。.2）分析了光纤在光缆中的形态，研究了基于微管结构的层绞式光缆内光纤的焦比退化特性。研制了一种具有均匀传输特性的外胶式光纤束，作为用于FASOT光纤积分视场单元的高密度光缆基本单元，提出并制成了一种用于大型积分视场单元的具有350芯的高密度光缆结构。.3）基于光纤出射光场能量，研制了天文光纤传输特性快速测量系统，该系统可以实现光纤输出焦比、传输效率和光纤端面质量的同时测量，并实现了入射光源的波动反馈补偿，提供了光纤传输特性的闭环实时测量，具有测量速度快、准确度高、重复性好的特点。.4）研究了大型光纤积分视场单元的关键制作技术，研制了光纤积分视场单元的性能检测装置。通过制作、检测、安装调试应用于FASOT-1B的242单元光纤积分视场单元，验证了大型光纤积分视场单元关键技术的可行性。.5）以上述研究成果为基础，以光纤阵列太阳光学望远镜（FASOT-2）的科学需求为目标，综合考虑望远镜系统的设计参数、工程造价等因素，完成了具有8064个光纤单元的大型光纤积分视场单元，其具有高空间分辨率、高光谱分辨率、高空间重复精度的特点。所用光纤纤芯直径35 μm，涂覆层外径125 μm。波长范围400-900 nm内，传输效率大于75%，输出焦比EE90大于F/7。使用该光纤积分视场单元的FASOT-2系统的视场29.9×26.4 arcsec2，空间分辨率0.95 arcsec @520 nm，光谱分辨率110000 @520 nm，成为世界上光纤数量最多的一对光纤积分视场单元。