大芯径天文光纤焦比退化因素分析及机制研究

The large-core astronomical fibers were used wildly in many telescopes around the world, such as LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopy Telescope). The fibers transmit the star lights from the focal board to the optical spectrometer to analyze the radail velocity of these stars. The focal ratio degradation (FRD) could cause the effective energy loss and even shift of the spot centers. The FRD could seriously influence the accuracy of the measurement of the radius velocity. .Firstly we want to investigate on the transmission of light along the large-core astronomical fibers, and to analyze the mode-rising and FRD because of bend, twist and nonuniform of the fibers. Secondly we want to use the mode group theory to analyze the transfer law of the thousands of guide modes according to fiber bend and twist. Thirdly we want to study on the probability of mode transfer law to find the critical conditions of fiber bend and twist. We hope these research results could help astronomers to choose suitable fibers and to find the better installing and controlling conditions. Lastly we want to research on the mode disturbing methods of the astronomical fibers to find a way to control the output fiber modes.

大芯径天文光纤已经在LAMOST等国内外天文望远镜中得到了广泛地应用，光纤将焦面上收集的星光传输到光谱仪中，进而可以分析其视向速度等参量。星光在光纤中传输时，光纤中焦比退化会引起能量损耗，严重时甚至会引起光斑中心偏移，严重影响星体光谱测量的精确度。本项目致力于研究大芯径天文光纤中模式传播规律，分析由于大芯径光纤弯曲、扭转和材质不匀造成的模式变高、焦比变小的问题。利用模式群理论分析大芯径光纤中数以万计的光纤导模的转化规律，建立大芯径天文光纤扭转、弯曲条件下的焦比退化模型；探索大口径天文光纤中模式相互转化的概率，寻找临界弯曲和扭转条件，以期指导天文光纤的选择、安装和控制；研究不同物理、几何特性的大口径光纤扰模工作机制和优化参数，以期进行后期模式控制。

光纤具有信息容量大、抗电磁辐射干扰能力强、良好的韧性、机械强度大、成本低廉等优点，广泛地应用于通信及天文观测领域。我国的大天区多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)在焦面板上就采用了4000根芯径为320微米的大芯径光纤作为星光传输介质。.由于星光在光纤中传输时，光纤中焦比退化会引起能量损耗，严重时甚至会引起光斑中心偏移，严重影响星体光谱测量的精确度。因此，我们通过研究大芯径天文光纤中模式传播规律，分析由于大芯径光纤弯曲、扭转和材质不匀造成的模式变高、焦比变小的问题；对光纤激光散斑和环形斑等相关出射情况进行理论解释，为焦比退化因素的研究与光纤振动扰模和轴向扭转抑制环形斑的实验提供了理论依据；通过对引起激光散斑的各种因素进行对比，用外界的扰动去干扰固有模式，得出以中心模场出射来抑制环形斑的一些方法；针对LAMOST系统的实际使用情况，我们发现使用353ND光纤粘合剂进行粘接固化和光纤受力均匀时，光纤出射焦比变化不大，可以正常使用；在光纤振动扰模和轴向扭转抑制环形斑的实验中，当入射角度为8°时，开始出现中心凹陷的环形斑，并且随着角度的增大，环形斑越明显，弯曲直径越小，光斑越发散；通过减弱散斑，降低衬比度的实验，得出不同芯径光纤在不同振动频率和曝光时间下的散斑特性，并确定最优化的扰模条件，发现在较长曝光时间（100ms 以上）、扰模频率在70Hz可以获得较好的扰模效果，LAMOST 光纤扰模后衬比度最低降到0.277，当光纤轴向扭转540°至720°时，能有效抑制环形斑，获得较好的中心光场，能量利用率能保持在83%以上。我们通过光纤振动扰模装置，可以有效降低光纤出射散斑的衬比度，这种方法简单方便，能量损耗相对较小，效果比较理想。.经过全面的理论和大量的实验数据分析，为了能使光纤有效接收到足够强度的星光，我们对光纤的传输性能也提出了要求，天文用光纤通常选用大芯径多模光纤，其中由于焦比退化和模式之间的干扰所形成的环形斑，我们通过扰模装置、来提高天文望远镜后端光谱仪的采光效率，进而减小对光谱分析的影响，提高视向速度测量的精确度。希望我们的基础性研究工作能为我国建立高分辨巡天望远镜和下一代南天LAMOST 的设计与建造做出贡献。