用于系外行星直接探测的同步偏振差分成像技术研究

The Jupiter-size exoplanets with older age and lower surface temperature widely distribute in universe and are able to be observed on ground-based telescopes. Our proposal aims to directly imaging Jupiter-like-and-cold planets, develops simultaneous polarimetry differential imaging (SPDI) to provide the contrast gain of 10E-3. Integrating with our developed adaptive optics technology, SPDI and the whole system will achieve the measured imaging contrast between 10E-7 and 10E-8, which satisfies the requirement of imaging Jupiter-like-and-cold planets. Comparing to the polarimetry measurement method of Gemini and VLT telescopes which are based on the modulation of rotational wave plates or liquid crystal devices, SPDI has the advantages in the following aspects: 1. SPDI relies on rotating single wollaston prism for modulation, avoiding the dispersion components, to achieve broadband imaging; 2. SPDI can acquire the linear polarization parameters Q and U in single and independent measurement respectively, which avoids the distribution from atmosphere turbulence; 3. SPDI uses measured Q and U to build the total-polarimetry images that includes all reflected energy from exoplanets; 4. SPDI uses iterative optimization to compensate geometrical aberrations and non-common-path errors between two channels.

形成年龄久而表面温度较低的类木“冷”行星在宇宙中分布较多，适合在地基望远镜上观测。本项目以类木“冷”行星的直接成像探测为科学目标，研究基于图像同步测量的偏振差分成像技术SPDI提供10E-3的成像对比度增益，配合已发展的自适应光学技术，在望远镜上获得10E-7至10E-8的实测成像对比度，满足成像探测类木“冷”行星的要求。相比Gemini和VLT等大望远镜采用基于旋转波片或液晶器件调制的偏振测量技术，SPDI的创新在于：1. 仅采用旋转Wollaston棱镜实现调制，避免引入色散元件，可以实现宽波段成像；2. 可以通过单次测量独立确定线偏振Q、U分量，避免了大气扰动对传统偏振测量的干扰；3. 利用测定的Q、U分量构造全偏振图像以充分利用系外行星的反射光能量；4. 采用迭代优化的方法，补偿双通道成像间的几何畸变和非共光路像差。

在本项目资助下，课题组完成了一套用于系外行星高对比度成像的双通道同步偏振差分成像系统，具体研究成果包括：1)利用上述系统成功实现了对偏振分量Q、U的差分测量并在成像角距离3~5 λ/D处获得50倍的对比度增益；2) 基于迭代优化算法，发展了双通道图像校正方法并开发了一套差分图像畸变和强度非均衡优化算法和软件；3) 发展了专用的校准单元，用于校准和消除系统偏振，实现了对仪器系统偏振响应矩阵的精确测量，测量精度达到2.2x10^-3；4) 本项目利用一套超级自适应光学装置Ex-AO先后在国际2～4米级望远镜开展了3次系外行星成像科学观测，实测成像对比度达到10^-6，利用观测数据重复验证了对系外行星κ And b的成像探测，本项目研制的偏振差分系统下一步计划对接Ex-AO，完成高对比度偏振成像实测；5) 本项目进一步开展了基于高速铁电液晶的单通道异步图像差分技术的研究，在实验室中开展了初步的单通道偏振测量实验。