【摘 要】
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天体三维光谱成像技术可以对二维视场中的展源目标进行采样,通过单次曝光同时获得展源空间域和光谱域三维信息。积分视场单元是天体三维光谱成像技术的关键器件,承担着天体像面分割,光学信号传输和光路重整的任务。光纤应用于天文领域,为天文观测仪器的小型化、集成化,提高天文仪器性能,降低成本提供了一条新的技术途径。光纤积分视场单元是天文光纤技术的典型应用,以其独特的技术优势,受到国内外天文学家的广泛关注。基于光
【基金项目】
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大型积分视场单元（IFU）关键技术研究,国家自然科学基金委（NSFC）和中国科学院（CAS）的天文联合基金重点项目,U1631239;大芯径天文光纤焦比退化因素分析及机制研究,国家自然科学基金委（NSFC）和中国科学院（CAS）的天文联合基金面上项目,U133111,天文光缆结构设计及其性能检测关键技术研究,国家自然科学基金委（NSFC）和中国科学院（CAS）的天文联合基金面上项目U1831115
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天体三维光谱成像技术可以对二维视场中的展源目标进行采样,通过单次曝光同时获得展源空间域和光谱域三维信息。积分视场单元是天体三维光谱成像技术的关键器件,承担着天体像面分割,光学信号传输和光路重整的任务。光纤应用于天文领域,为天文观测仪器的小型化、集成化,提高天文仪器性能,降低成本提供了一条新的技术途径。光纤积分视场单元是天文光纤技术的典型应用,以其独特的技术优势,受到国内外天文学家的广泛关注。基于光纤积分视场单元的三维光谱成像技术与传统的光谱成像技术相比的优点是:视场大、空间分辨率高、光谱分辨单元多等。光纤积分视场单元被广泛应用于天文观测中,包括研究近邻星系或者星团中恒星形成区的分布、中等红移星系的动力学研究、中等红移尺度的距离估算、重建受引力透镜效应的星系、活动星系核的核区结构、行星状星云和超新星遗迹等。目前,在10m级以上的大型地面光学和红外望远镜中均配置或计划配置光纤积分视场单元,2 m级中小型望远镜在升级计划中大部分增加或改造新的光纤积分视场单元。本文以光纤阵列太阳光学望远镜（FASOT）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,设计了具有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。大型积分视场单元中所用光纤纤芯直径35μm,涂覆层外径125 μm。波长范围400-900 nm内,该积分视场单元的传输效率大于75%,输出焦比EE90大于F/7。在波长520 nm处,使用该光纤积分视场单元的FASOT系统的视场29.9×26.4 arcsec2,空间分辨率0.95 arcsec,光谱分辨率1 10000。该光纤积分视场单元制作完成后将成为世界上光纤数量最多的一对光纤积分视场单元系统。通过研制242光纤单元的积分视场单元,验证大型光纤积分视场单元设计理论、关键制作技术以及性能检测方法的可行性。与FASOT升级型原理样机FASOT-1B安装调试后,成功获取太阳NOAA12738活动区MgI色球偏振数据。经验收测试,在波长518 nm处,FASOT-1B望远镜系统的偏振灵敏度优于10-3,光谱分辨率3.3×104,光纤积分视场单元的性能满足FASOT-1B系统要求。该光纤积分视场单元系统为第一套国内自行研制、并成功用于观测的光纤积分视场单元系统。本课题主要研究内容包括:1.基于光纤积分视场单元的基本结构,依据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。2.基于光纤出射光场能量占比,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等的同时测量。天文光纤传输特性快速测量系统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。3.分析了光纤在光缆中的形态,研究了基于微管结构的传统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,经过研究不同状态下的外胶式光纤束中光纤的传输特性,证明外胶式光纤束具有均匀的传输特性,对外界环境应力具有一定的抵抗作用,适合用于制作天文用高密度光缆。提出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。使用一种高应变灵敏度长周期光纤光栅监测了光缆状态变化时内部应力的变化。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方法和装置。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。
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