LAMOST高分辨率光譜儀研制

張?zhí)煲?，朱永田，侯永輝，張 凱，胡中文， 王 磊，陳 憶，姜海嬌，湯 振，許明明，姜明達(dá)

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái) 南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，南京 210042;2.中國(guó)科學(xué)院 天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210042;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

郭守敬望遠(yuǎn)鏡(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope,LAMOST)是我國(guó)自主創(chuàng)新研制的主動(dòng)反射施密特望遠(yuǎn)鏡。它是目前世界上口徑最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)也是世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。LAMOST科學(xué)委員會(huì)確立了以大規(guī)模銀河系光譜巡天及多波段天體光譜認(rèn)證為核心科學(xué)目標(biāo)的巡天計(jì)劃[1-2]。截止2017年6月一期巡天結(jié)束時(shí)，共獲得900余萬(wàn)條光譜，遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)際其他巡天項(xiàng)目發(fā)布的光譜集合，為世界上最大的光譜樣本集。在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了天區(qū)覆蓋連續(xù)、統(tǒng)計(jì)無(wú)偏大樣本銀河系光譜巡天。中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)、丹麥等國(guó)家和地區(qū)的59所科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)正在利用這些數(shù)據(jù)開(kāi)展研究工作，并取得一系列高顯示度的科研成果。LAMOST一期巡天配備16臺(tái)低分辨率光譜儀，用以進(jìn)行大樣本、低分辨率的光譜紅移巡天觀測(cè)[3]。在完成一期巡天后，將開(kāi)展對(duì)特殊天體的精細(xì)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)高分辨率、高信噪比的星際參數(shù)和化學(xué)元素豐度測(cè)量，而我國(guó)目前精測(cè)望遠(yuǎn)鏡的口徑只有2 m級(jí)，急需配置一臺(tái)單目標(biāo)高分辨率光譜儀開(kāi)展后續(xù)精細(xì)觀測(cè)，并在不適合對(duì)暗弱目標(biāo)進(jìn)行低分辨率觀測(cè)等條件下，使用高分辨率光譜儀進(jìn)行高分辨率觀測(cè)，以達(dá)到充分利用LAMOST的目的。出于以上考慮，LAMOST將升級(jí)配備新的高分辨率光譜儀(LAMOST-HRS)。結(jié)合臺(tái)址和望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)有條件，擬采用大芯徑光纖、拼接大光柵、棱柵組合式橫向色散器、縫前像切分器等技術(shù)措施來(lái)滿足性能要求[4-6]。

2 LAMOST高分辨率光譜儀設(shè)計(jì)方案

2.1 光譜分辨能力

光纖光柵光譜儀的色分辨能力可由公式(1)給出[7]：

(1)

其中，R為光譜分辨率，Φ代表狹縫對(duì)天空張角，D1、DT分別代表準(zhǔn)直光束口徑與望遠(yuǎn)鏡通光口徑，θb為光柵閃耀角，ξ為光纖焦比蛻化。目前常見(jiàn)的4種階梯光柵按閃耀角的正弦值分別命名為R2、R3、R4、R5(如閃耀角為63.4°的階梯光柵，其正弦值為2，故命名為R2光柵)。3種階梯光柵的光譜分辨能力曲線如圖 1所示，可見(jiàn)無(wú)論是單塊或是拼接光柵，R4光柵(閃耀角為76°)在相同準(zhǔn)直口徑下都表現(xiàn)出更強(qiáng)的光譜色散能力，因此擬采用R4拼接大光柵作為主色散元件。此外為達(dá)到既定高分辨率，在縫前增設(shè)雙切分像切分器來(lái)平衡高分辨率和高光效率之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)在不限縫下光譜分辨率R≥30 000。

圖1 光譜分辨能力R×Φ曲線 Fig.1 Curve of spectral resolution R×Φ

2.2 分辨率、相機(jī)焦比、光譜覆蓋

在色散方向上，有公式(2)[8]:

(2)

圖2 各級(jí)次的自由光譜范圍 Fig.2 Free spectral range of all levels

在級(jí)次分離方向上，所有級(jí)次在探測(cè)器上的覆蓋尺寸Sx表示為式(3):

(3)

其中Px代表橫向色散的倒線色散系數(shù)；Δλx代表級(jí)次方向的中心波長(zhǎng)覆蓋范圍。Sx與S共同評(píng)價(jià)了探測(cè)器的利用率，是選擇圖像傳感器(CCD)的標(biāo)準(zhǔn)之一。

2.3 級(jí)次間隔、光譜覆蓋

當(dāng)使用像切分器時(shí)，星像沿狹縫線性排列，長(zhǎng)狹縫要求光譜儀在空間方向上擁有更高的橫向色散能力來(lái)分開(kāi)各個(gè)級(jí)次。常用的橫向色散元件有光柵、棱鏡和棱柵3種。但由于光柵與棱鏡產(chǎn)生的級(jí)次間隔對(duì)波長(zhǎng)敏感，均會(huì)造成紅藍(lán)端級(jí)次間隔差別懸殊，不利于在有限的探測(cè)器上容納所要求的光譜覆蓋范圍，遂選擇棱柵來(lái)平衡紅藍(lán)兩端級(jí)次間隔差異，如圖3所示。同時(shí)從制造工藝上考慮，擬使用體相位全息光柵(VPHG)和獨(dú)立三角棱鏡的組合方式作為所研制光譜儀的橫向色散元件。

圖3 級(jí)次間隔分布曲線 Fig.3 Curves of linear interval of order

3 儀器的組成與主要性能指標(biāo)

3.1 縫前單元、定標(biāo)燈單元

圖4 縫前單元系統(tǒng)組成示意圖 Fig.4 Composition of the unit before slit

圖5 像切分效果示意圖 Fig.5 Simulation of image segmentation

光譜儀縫前單元由光束變焦比系統(tǒng)與像切分器組成，如圖4所示。星光經(jīng)過(guò)一次變焦比系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橄袂蟹制饕蟮穆贡?，再由二次變焦比系統(tǒng)將切分后的像斑透射在狹縫處。其中像切分器采用雙切分結(jié)構(gòu)，切分效果如圖5所示。

定標(biāo)燈單元提供穩(wěn)定的釷氬和平場(chǎng)燈源，并以匹配望遠(yuǎn)鏡的焦比耦合進(jìn)燈源光纖，放置在室內(nèi)遠(yuǎn)離光譜儀處并與光譜儀相連。燈箱由復(fù)消色透鏡組成，附加光闌和遮光罩去除雜散光。平場(chǎng)光源和定標(biāo)光源共用一套光纖耦合系統(tǒng)保證兩光源的入射焦比和耦合效率相近，以遠(yuǎn)程控制燈源切換，如圖6所示。

圖6 定標(biāo)燈單元光學(xué)系統(tǒng) Fig.6 Optical system of calibrating light unit

3.2 光譜儀本體單元

圖7 光譜儀本體光學(xué)方案和三維模型 Fig.7 Optical design and 3D model of spectrograph body

光譜儀本體單元包括本體光機(jī)系統(tǒng)、探測(cè)器單元、電控電源和隔溫罩。本體單元采用0.7×中繼倍率的準(zhǔn)白瞳設(shè)計(jì)方案，準(zhǔn)直光束口徑為Φ205 mm，相機(jī)焦比為F/2。本體光學(xué)方案和三維模型如圖7所示。通過(guò)狹縫的切分光束經(jīng)主準(zhǔn)直鏡和拼接大光柵色散后，再由主準(zhǔn)直鏡、折轉(zhuǎn)平面鏡和中繼準(zhǔn)直鏡縮束成145 mm光瞳的平行光束群。為提供足夠且較均勻的級(jí)次間隔，使用VPH光柵與棱鏡組成的橫向色散器。橫向色散后的光束群由照相機(jī)(7片高透過(guò)率透鏡組成)成像到探測(cè)器CCD靶面上。其中相機(jī)首鏡的第一光學(xué)面為高次非球面，第二鏡為膠合鏡，雙凹末鏡為探測(cè)器的真空封窗。

表1 LAMOST-HRS 主要技術(shù)指標(biāo)

3.3 光譜儀光效率計(jì)算

圖8 光譜儀本體效率估算曲線 Fig.8 Estimate of the efficiency of spectrograph body

計(jì)算光譜儀的效率時(shí)應(yīng)考慮如下因素：鍍膜后光學(xué)系統(tǒng)的效率損失；光線、像切分器的光學(xué)損耗；色散元件效率，包括階梯光柵、橫向色散器的光柵衍射效率和三角棱鏡的光效率；CCD光電轉(zhuǎn)換的量子效率和光敏面的膜層效率。圖8給出了光譜儀光效率理論峰值估算情況，在不計(jì)CCD效率的情況下，本體效率峰值約為31%。

3.4 雜散光分析

雜散光可以定義為未遵循預(yù)定路徑而到達(dá)焦面的光線。系統(tǒng)的非成像雜散光一般來(lái)源有兩類[9]：其一是非成像光束在像平面產(chǎn)生的亮背景，主要為機(jī)械系統(tǒng)縫隙外光線以及視場(chǎng)外光線沒(méi)有進(jìn)行有效的遮攔而到達(dá)探測(cè)器上形成的。此類雜散光路徑遵循菲尼爾折反射定律和衍射公式，可以通過(guò)光線追跡的形式進(jìn)行分析。其二是系統(tǒng)因散射產(chǎn)生的非定向雜散光，這部分雜散光是由于表面的不絕對(duì)光滑造成的。散射不遵循既定公式，只能用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，通過(guò)散射理論模擬雜散光。在光譜儀器中，引起散射的因素主要為光學(xué)面加工時(shí)的殘余粗糙度、表面顆粒污染、機(jī)械表面黑處理等因素。這些復(fù)雜的散射很難用一種形式來(lái)描述，因此將利用雙向散射分布函數(shù)(BSDF)來(lái)描述光線經(jīng)過(guò)散射表面的宏觀行為[10-12]。

圖9 Aeroglaze Z306 BSDF繪圖 Fig.9 BSDF scatter plot: Aeroglaze Z306

本文通過(guò)雜散光分析軟件針對(duì)上述兩類雜散光進(jìn)行仿真分析。假設(shè)光在光學(xué)元件和機(jī)械零件表面的散射特性定義如下：(1)機(jī)械表面涂表面黑處理涂料Aeroglaze Z306，其BSDF如圖9所示。(2)光學(xué)面鍍膜由McLeod膜系設(shè)計(jì)導(dǎo)入。(3)光學(xué)面粗糙度引起的散射由哈維(Harvey)模型描述，如式(4)所述。式(4)中，b0為圖像峰值，L描述峰值的寬度，S描述了大散射角下的對(duì)數(shù)下降情況。θscatter、θspecular分別為入射光經(jīng)過(guò)光學(xué)面的散射角，反射角，β、β0為與之對(duì)應(yīng)的正弦值，r為光學(xué)面曲率半徑。通過(guò)粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算Harvey模型關(guān)鍵參數(shù)。(4)由光學(xué)面顆粒污染引起的散射由米氏散射理論與IEST-STD-CC1246D顆粒分布模型描述。由表面顆粒污染引起的散射BSDF如圖10所示[13-14]。

(4)

圖10 顆粒散射BSDF繪圖 Fig.10 BSDF scatter plot: IEST-STD-CC1246D

雜散光分析以狹縫為光源，選取150個(gè)參考波長(zhǎng)進(jìn)行分析，設(shè)置入射能量為1，不考慮衍射效率。執(zhí)行高級(jí)光線追跡，表2為預(yù)估雜散光背景，

表2 預(yù)估雜散光背景

可以看出對(duì)于LAMOST-HRS，在任何不同級(jí)次下，雜散光都由散射主導(dǎo)，鬼像能量微弱。最終雜散光分析報(bào)告如表3所示，雜散光照度占CCD面照度2.55%，信噪比為16.01 dB。

4 LAMOST-HRS試運(yùn)行

為保證光譜儀工作狀況，開(kāi)展了為期3個(gè)月的光譜儀試運(yùn)行與測(cè)試階段。期間實(shí)測(cè)了太陽(yáng)光譜，并與美國(guó)NOAO太陽(yáng)光譜進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示，結(jié)果理想。

圖12 單夜溫度穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果 Fig.12 Test results of temperature stability in single night

為保證光譜儀穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)行了溫度性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：每個(gè)觀測(cè)時(shí)段，溫度穩(wěn)定性達(dá)到±0.03 ℃，如圖12所示。本體光效率峰值測(cè)試結(jié)果如圖13所示，可見(jiàn)，光譜儀在波長(zhǎng)為543.5 nm處效率峰值約為33.8%，階梯光柵每個(gè)衍射級(jí)次內(nèi)的衍射效率均隨波長(zhǎng)變化而變化，根據(jù)測(cè)試波長(zhǎng)543.5 nm偏離中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的衍射效率換算，光譜儀本體在第86級(jí)光譜可獲得光效率峰值大于35%，符合理論計(jì)算預(yù)期與設(shè)計(jì)方案要求[15]。

圖13 光譜儀本體光效率測(cè)試結(jié)果(藍(lán)色為理論曲線；紅色為測(cè)試值) Fig.13 Light efficiency test results of spectrograph body(blue is the theoretical curve; red is the test value)

5 結(jié) 論

LAMOST高分辨率光譜儀是一臺(tái)配屬于4米級(jí)望遠(yuǎn)鏡、覆蓋B、V、R波段的高性能、高穩(wěn)定性天文光譜設(shè)備。充分考慮臺(tái)址和望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際情況，方案增設(shè)縫前切分單元來(lái)滿足科學(xué)觀測(cè)對(duì)儀器的技術(shù)要求，更換大芯徑光纖降低臺(tái)址視寧度下降的影響，采用雙拼接大光柵的準(zhǔn)白瞳光學(xué)結(jié)構(gòu)，使用體相位全息光柵(VPHG)和三角棱鏡組合的橫向色散器來(lái)滿足大級(jí)次間隔和高光效率的要求。根據(jù)理論計(jì)算與分析可知，光譜儀的本體光效率峰值約為31%， 像面雜散光占比為2.55%，信噪比為16.01 dB。在開(kāi)展了3個(gè)月的光譜儀試運(yùn)行與測(cè)試后，測(cè)得太陽(yáng)光譜，并將其與美國(guó)NOAO發(fā)布的太陽(yáng)光譜相比較，結(jié)果理想。測(cè)試光譜儀效率峰值大于30%，溫度穩(wěn)定性達(dá)到±0.03 ℃，滿足穩(wěn)定、高效的運(yùn)行要求。