天文光子学是天文学与光子学的交叉学科,研究目的是将光技术应用于天文观测中。光谱观测是天文观测的重要手段之一,高分辨率光谱仪不可或缺。随着光谱仪分辨率不断提高,入射光信号的利用率却不断下降。像切分器作为一种光学器件为提高光效率发挥了重要的作用,它将天文望远镜采集到的星像切分成几份,然后输入到光谱仪的狭缝中,有效的提高了光信号的利用率。传统的像切分器由透镜组和反射镜组制成,对各部件的加工精度要求较高,而且结构复杂,体积偏大,不易安装。光纤作为一种新型的光传输媒介被提出后,以其独特的性能受到各界研究人员的青睐,也为像切分器开拓了新的发展空间。光纤型像切分器不仅制作容易,结构简单,安装便捷,而且由于光纤种类繁多,可根据实际需求,选择合适类型的光纤制作器件,以实现不同的功能。本文根据像切分器的工作原理,设计了一种新型光纤像切分器。该像切分器包含三个部分——光纤光子灯笼、光纤刷和二者之间的连接光纤。光纤光子灯笼与光纤刷均经过拉锥制成,光纤光子灯笼锥区末端芯层为圆形,用于接收望远镜的出射光信号,光纤刷锥区末端芯层为一字排列多芯结构,用于将光信号输入光谱仪。本课题的主要研究内容包括:1.基于光纤光子灯笼和光纤刷的设计结构,研究了锥形缓变光纤的模式理论和多芯光纤的耦合理论。对于锥形光纤器件,当锥区变化的足够缓慢时,可以用局部模式对锥区中的传播模式进行近似,局部模式功率的变化可以忽略。当波导中包含多根光纤时,模式在各光纤中耦合,耦合强度随光纤的归一化频率和光纤间距的变化而变化。在锥区中,嵌入光纤的直径和间距均发生改变,因而耦合效应在整个锥区中也发生变化,越靠近锥区细端,耦合越明显。2.本文设计并制作了大热区可移动面型火焰拉锥系统,用于将光纤预制棒拉锥成特殊的结构,例如光纤光子灯笼、光纤刷等。该系统的最大特点是加热器可移动,且移动速度和距离可调,从而实现了可调式大热区加热。通过大热区加热,显著延长了锥区长度,减小了器件的传输损耗。加热器的出气孔采用线型设计,七个直径为0.5mm的气孔直线排列,产生面型火焰,一方面降低了加热火焰的宽度,利于对锥区形状的控制,另一方面保证了火焰的长度,能够加热不同直径的预制棒。通过控制丁烷与氧气的流量比例可实现不同的加热温度,以适应不同的拉锥需求。3.设计并制作了一种特殊的光纤光子灯笼,采用大芯径塑料包层光纤作为嵌入光纤。该特种光纤的包层可以溶于丙酮溶液,而纤芯完好无损。将光纤包层除去后进行嵌入并拉锥,可保证拉锥形成的锥区末端芯层折射率分布均匀,从而使光场均匀分布,克服了嵌入单模光纤后锥区末端光场不均匀的缺陷。4.设计并制作了新型的光纤器件——光纤刷,可用于向光谱仪狭缝中输入光信号。该器件是将七根裸光纤嵌入光子晶体光纤预制棒的一排空气孔中,经熔融拉锥形成,锥区末端具有一字排列的七芯结构。模式在锥区传播的过程中,将在各嵌入光纤之间进行耦合,从而实现圆形模场向条形模场的转换。本文的主要创新点如下:1.设计并制作了大热区可移动面型火焰拉锥系统,实现了可调式大热区加热,可有效的控制器件锥区的长度及形状。2.使用大芯径塑料包层光纤作为嵌入光纤制作了特殊结构的光纤光子灯笼,在锥区末端实现了均匀的光场分布。3.设计并制作了新型的光纤器件——光纤刷,与光纤光子灯笼组合使用,实现了圆形模场向条形模场的转换。