大口径太阳望远镜主光路系统附加偏振的量化分析研究

Polarization measurement with high-precision is one of the most important functions for the large aperture solar telescopes. Research on the quantitative analysis of the additional polarization induced by the main optical system is not only a key technique but also an international problem in development of the large aperture solar telescopes. Currently, there is no good method to calibrate the large aperture telescope with high precison. Therefore, it is necessary to study the relations between the additional polarizations and polarization measurement accuracy by quantitative analysis. Based on which, we can design the main optical system with minimal additional polarization.. In our research, a Mueller matrix testing system is developed to measure the polarization properties of mirrors with high precision. Then, a quantitative analysis method, used to analyze the additional polarization of the main optical system, is designed by merging the measured results into polarized light theory to simulate polarization of the primary and secondary mirrors. In the last, this method is applied to analyze the additional polarization induced by different main optical systems in CGST design. The project will not only provide the theoretical basis and technical support for CGST’s polarization design, but also can be applied into any other telescopes and polarization fields.

高精度偏振测量是大口径太阳望远镜实现精确磁场测量的重要技术指标，对其主光路系统引起的附加偏振进行量化分析是其关键技术之一，也是研制大口径太阳望远镜面临的国际性难题。目前尚没有有效的定标方法对大口径系统进行全口径偏振定标，因此，只能通过量化分析确定附加偏振对望远镜偏振测量精度的影响，从而设计最小化附加偏振的主光路系统。. 本项目将搭建一套用于平面镜的高精度Mueller矩阵测试系统，通过测试分析平面镜的偏振特性模拟主、副镜的附加偏振，建立一套综合实测结果和理论分析的主光路系统附加偏振的量化分析方法；然后，应用该方法对中国巨型太阳望远镜CGST可能采用的不同主光路设计方案引起的附加偏振进行量化分析。本项目的研究不仅将从偏振测量精度角度为CGST的主光路系统方案选择、减小甚至消除附加偏振提供理论依据和技术支撑；而且具有普适性，可应用于任何大型望远镜和偏振测量领域。

主光路系统的附加偏振是大口径太阳望远镜实现高精度偏振测量面临的国际性难题。目前尚没有有效的定标方法对大口径系统进行全口径偏振定标,因此,只能通过量化分析确定附加偏振对望远镜偏振测量精度的影响,从而设计最小化附加偏振的主光路系统。本项目中，我们不仅针对主光路系统的附加偏振做了系统的量化分析研究，而且完成了抚仙湖1米太阳望远镜NVST的偏振定标。此外，在项目研究过程中，在偏振测量方面发明了新方法，发展了新仪器，从仪器研制、方法设计、系统仿真、实测分析四方面全面研究了太阳望远镜的高精度偏振测量问题，为我国新一代大口径太阳望远镜的研制积累了大量经验和数据。.主光路系统附加偏振的量化分析方面：我们设计并研制了一套高精度Mueller矩阵测试系统，可对透／反射光学元件进行偏振测量，测量精度优于0.01；利用自主研制的Mueller矩阵测量系统对关键器件反射镜进行了系统的偏振测量和分析，结果表明反射镜的Mueller矩阵与理论仿真结果基本一致，这为我们理论仿真模拟主光路系统的附加偏振提供了关键数据支持；在此基础上，理论推导并设计完成一套基于matlab软件的主光路系统附加偏振的量化分析方法，可对对称系统、离轴系统和环形系统进行Mueller矩阵偏振分析。.抚仙湖1米太阳望远镜NVST偏振定标：我们研制了偏振分析器和偏振定标单元，目前全部投入使用。通过对太阳黑子的实测定标，结果表明，偏振定标前后，望远镜的偏振串扰由100%降低至1%，大大提高了望远镜的偏振测量精度。.在本项目的研究过程中，我们发明了一种新方法用于补偿偏振元件楔角引起的光束偏离，提高了偏振仪器的测量精度；而且对望远镜的偏振定标单元及定标方法做了深入分析和优化，提高了偏振定标精度和时间分辨率。.本项目的研究不仅从偏振测量精度角度为大口径太阳望远镜主光路系统方案选择、减小甚至消除附加偏振提供理论依据和技术支撑;而且具有普适性,其方法以及衍生技术均可应用于任何大型望远镜和偏振测量等领域,兼具科学意义和社会价值。