AIMS望遠(yuǎn)鏡8～10微米成像終端系統(tǒng)裝調(diào)檢測(cè)方法 *

王雅琦，馮志偉，白先勇,3，張志勇,3*，孫英姿，荀 輝，沈宇樑，鄧元勇,3

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)天文光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；5. 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083)

正在建設(shè)的 “用于太陽磁場(chǎng)精確測(cè)量的中紅外觀測(cè)系統(tǒng)” 項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱AIMS)是我國(guó)自主研制的第1臺(tái)專門用于中遠(yuǎn)紅外波段太陽觀測(cè)的大型設(shè)備。其中，8～10 μm波段成像觀測(cè)系統(tǒng)是該望遠(yuǎn)鏡的重要終端設(shè)備之一，用于系統(tǒng)研究太陽活動(dòng)的中紅外響應(yīng)[1-2]，以新的視角開拓新的領(lǐng)域，創(chuàng)造新的科學(xué)機(jī)遇。

然而，創(chuàng)造新的機(jī)遇也意味著面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)?？茖W(xué)觀測(cè)要求8～10 μm終端系統(tǒng)的成像質(zhì)量須達(dá)到衍射極限。而常溫的黑體輻射峰值在8～10 μm，為抑制環(huán)境背景，提高信噪比，系統(tǒng)需要工作在100 K的真空制冷環(huán)境中。在低溫環(huán)境中光學(xué)元件曲率和折射率的變化，以及結(jié)構(gòu)的形變嚴(yán)重影響系統(tǒng)像質(zhì)。低溫環(huán)境導(dǎo)致的變化比較復(fù)雜，目前還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可循，所以必須對(duì)終端系統(tǒng)進(jìn)行精密檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果指導(dǎo)系統(tǒng)裝調(diào)。

在可見光波段已有成熟的裝調(diào)檢測(cè)方法和儀器，如ZYGO干涉儀[3]、4D干涉儀以及夏克-哈特曼波前傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)峰值與谷值的差值(Peak to Valley, PV)λ/20以上的高精度檢測(cè)。但由于本終端系統(tǒng)為了盡量減小真空艙的體積，采用透射式光學(xué)設(shè)計(jì)，可見光不能透過，因而可見光波段的檢測(cè)儀器和方法無法直接應(yīng)用。

利用紅外干涉儀進(jìn)行裝調(diào)檢測(cè)是很好的選擇。為應(yīng)對(duì)紅外波段的檢測(cè)需求，國(guó)際上很早就開展了紅外波段干涉儀的研究，已經(jīng)開發(fā)了成熟的商業(yè)化產(chǎn)品[4]。國(guó)內(nèi)近些年也開展了紅外干涉儀的研究工作[5-7]，積累了很多成功的經(jīng)驗(yàn)。

然而，目前國(guó)內(nèi)外所開展的紅外干涉測(cè)量主要集中在3.39 μm和10.6 μm等相干性較好的激光波段。對(duì)于AIMS望遠(yuǎn)鏡8～10 μm終端而言，其波段跨越2 μm的帶寬，現(xiàn)有紅外干涉儀無法滿足系統(tǒng)的裝調(diào)檢測(cè)需求，因此，我們需要研究一種適用于本終端的測(cè)試方法。

在可見光和近紅外波段利用寬波段短相干光源進(jìn)行干涉測(cè)量已有先例，文[8]采用連續(xù)譜光源配合單色儀構(gòu)造寬波段的光源，可以覆蓋200～1 100 nm的帶寬，利用泰曼-格林干涉儀，實(shí)現(xiàn)了哈勃望遠(yuǎn)鏡干涉濾光片的透過波前測(cè)量。但在中紅外波段，寬波段的連續(xù)譜光源通常為碳化硅和氮化硅等熱光源，輻射強(qiáng)度與溫度相關(guān)，滿足黑體輻射定律。在中紅外波段這些光源輻射強(qiáng)度已經(jīng)很弱，經(jīng)單色儀分光，再經(jīng)過干涉儀系統(tǒng)后能量所剩無幾，用現(xiàn)有的探測(cè)器幾乎無法探測(cè)到。

近年來發(fā)展起來的紅外可調(diào)諧激光器技術(shù)能夠在8～10 μm波段實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，且有較高的輻射強(qiáng)度，可以考慮用作干涉檢測(cè)的光源[9-10]。但寬譜段可調(diào)諧激光器相干性較差，因此我們采用非共路泰曼-格林型干涉儀，利用參考臂長(zhǎng)度可調(diào)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)等光程干涉，彌補(bǔ)相干性不足的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量。

本文主要根據(jù)AIMS望遠(yuǎn)鏡成像光路的裝調(diào)檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了基于中紅外可調(diào)諧激光器的泰曼-格林干涉儀檢測(cè)方案，完成干涉儀系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真分析。本文對(duì)AIMS望遠(yuǎn)鏡8～10 μm終端系統(tǒng)的裝調(diào)和檢測(cè)有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)也為紅外其他波段以及其他光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)檢測(cè)提供參考。

1 紅外干涉檢測(cè)方案的總體設(shè)計(jì)及分析

1.1 8～10 μm終端系統(tǒng)參數(shù)及裝調(diào)檢測(cè)需求

8～10 μm成像系統(tǒng)是AIMS望遠(yuǎn)鏡主要終端之一，其位置如圖1，8～10 μm成像終端系統(tǒng)光路如圖2。

由圖2可見，由AIMS望遠(yuǎn)鏡中繼光學(xué)系統(tǒng)出射的準(zhǔn)直光束入射8～10 μm成像系統(tǒng)。準(zhǔn)直光束的直徑為28 mm，經(jīng)過一次成像鏡組會(huì)聚，再經(jīng)由場(chǎng)鏡將中間瞳面成像于二次成像鏡組之前。在中間瞳面處設(shè)置制冷光闌，抑制孔徑邊緣帶來的雜散光。干涉濾光片放在靠近制冷光闌的位置，限制系統(tǒng)透過波段，再經(jīng)二次成像鏡組將太陽成像于探測(cè)器感光面上。整個(gè)光路長(zhǎng)度為328 mm，系統(tǒng)等效焦比為3.5，視場(chǎng)角為6.4′。為抑制環(huán)境背景輻射，場(chǎng)鏡、干涉濾光片、制冷光闌、二次成像鏡組和探測(cè)器等均置于真空制冷環(huán)境中，由真空封窗與外部環(huán)境隔開，工作溫度為100 K。

圖1 AIMS望遠(yuǎn)鏡8～10 μm成像終端系統(tǒng)位置

圖2 8～10 μm成像終端系統(tǒng)光路Fig.2 Optical path of 8-10 μm imaging terminal system

在如此低的溫度條件下，光學(xué)材料的折射率和元件的曲率均發(fā)生較大的變化，而這種變化沒有可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可供參考。光學(xué)結(jié)構(gòu)也發(fā)生較大形變，材料不均勻性和加工應(yīng)力等因素導(dǎo)致的形變非常復(fù)雜，僅采用模擬仿真很難與實(shí)際結(jié)果相吻合。因此，為確保成像質(zhì)量，我們需要研究一種可行的裝調(diào)檢測(cè)方法。

1.2 紅外干涉檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

8～10 μm光路系統(tǒng)為直徑28 mm準(zhǔn)直光入射的成像系統(tǒng)，等效焦比為F/3.5，為此，設(shè)計(jì)采用泰曼-格林紅外干涉儀進(jìn)行裝調(diào)和檢測(cè)的方案。檢測(cè)方案示意圖如圖3。

圖3 紅外干涉檢測(cè)方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of infrared interference detection scheme

紅外光源采用8～10 μm可調(diào)諧紅外激光器[11]，具體參數(shù)見表1，激光器峰值功率隨波長(zhǎng)變化曲線如圖4。該激光器在8～10 μm波段連續(xù)可調(diào)，且激光功率可以達(dá)到50 mW，能夠滿足檢測(cè)需求。

表1 中紅外可調(diào)諧激光器具體參數(shù)

激光光束經(jīng)會(huì)聚透鏡聚焦于針孔光闌，光闌采用水冷方式制冷，冷卻至室溫。光束由準(zhǔn)直鏡組準(zhǔn)直后經(jīng)分束片分為兩路。分束片采用硒化鋅(ZnSe)材料，根據(jù)待測(cè)系統(tǒng)透過率設(shè)計(jì)分光比，從而保證參考光與測(cè)試光強(qiáng)度盡量相等。反射光束作為參考光，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡①返回；透射光束作為測(cè)試光，由窗口入射真空艙，經(jīng)會(huì)聚鏡組轉(zhuǎn)化為與待測(cè)系統(tǒng)焦比相適應(yīng)的球面波，并保持球心與待測(cè)系統(tǒng)的焦點(diǎn)重合，反向入射待測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過8～10 μm成像系統(tǒng)形成準(zhǔn)直光束，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡②返回。參考光和測(cè)試光經(jīng)分束片后匯合成一束平行光，通過會(huì)聚鏡組在探測(cè)器上接收干涉條紋。探測(cè)器擬采用國(guó)產(chǎn)640 × 512 HgCdTe焦平面陣列探測(cè)器，像元大小為15 μm。探測(cè)器放置在光闌后適當(dāng)?shù)木嚯x，確保干涉條紋完全投射在感光面內(nèi)。

設(shè)計(jì)采用球面波從焦點(diǎn)入射的檢測(cè)方式，以減小準(zhǔn)直光束直徑。準(zhǔn)直光束的直徑僅為10 mm，從而減小準(zhǔn)直鏡、分束鏡和會(huì)聚鏡的口徑，大大降低加工難度和成本。

1.3 系統(tǒng)相干性分析

在干涉測(cè)量中，條紋對(duì)比度K表示干涉場(chǎng)中某點(diǎn)附近的條紋清晰程度[12]，

(1)

其中，IM和Im分別為條紋強(qiáng)度的極大值和極小值。當(dāng)K=1時(shí)，條紋最清晰，即完全相干；當(dāng)K=0時(shí)，條紋完全消失，即非相干。

影響條紋對(duì)比度的因素主要包括光源尺寸、兩相干光波振幅比和譜線線寬等。系統(tǒng)光源采用較小尺寸的針孔光闌，對(duì)條紋對(duì)比度的影響可以忽略。根據(jù)系統(tǒng)透過率設(shè)計(jì)分束片膜系，檢測(cè)光與參考光可以實(shí)現(xiàn)等振幅，從而不影響對(duì)比度。因此，本系統(tǒng)中對(duì)條紋對(duì)比度影響較大的因素是光源的單色性。

能夠發(fā)生干涉的最大光程差ΔL為

(2)

其中，λ為激光光源輸出譜線的中心波長(zhǎng)；Δλ為譜線線寬。單一波長(zhǎng)光強(qiáng)隨ΔL的變化為

2i(k)[1+cos(kΔL)] ，

(3)

i(k)為以波數(shù)表示的光譜分布函數(shù)，不同波長(zhǎng)光強(qiáng)分布疊加

(4)

可以求出條紋對(duì)比度K與Δλ和ΔL的關(guān)系。

在不影響計(jì)算精度的情況下，取i(k)為方波分布，則由(1)式和(4)式可得

(5)

可調(diào)諧激光器在中心波長(zhǎng)λ=9 μm處輸出的譜線線寬約為Δλ=0.081 nm。當(dāng)K=0.5時(shí)，可計(jì)算ΔL約為192 mm，即參考臂與測(cè)試臂之間的光程差為192 mm時(shí)，條紋的可見度仍可以達(dá)到0.5，該光程差在實(shí)際操作中很容易實(shí)現(xiàn)。因此基于中紅外可調(diào)諧激光光源的干涉檢測(cè)方案是可行的。

2 紅外干涉儀的基本參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真

基于上述紅外干涉檢測(cè)方案，本文設(shè)計(jì)了一組準(zhǔn)直鏡，將針孔光闌出射的球面波轉(zhuǎn)換為直徑約為10 mm的高質(zhì)量平面波。準(zhǔn)直鏡組是由硫化鋅(ZnS)透鏡構(gòu)成的雙分離鏡組，焦比為3.5。準(zhǔn)直鏡組設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

利用Zemax軟件進(jìn)行的波前分析如圖5。由圖5可以看出，準(zhǔn)直鏡組的波像差PV值為0.008 7λ@9 μm ，均方根值為0.002 8λ@9 μm，設(shè)計(jì)結(jié)果能夠滿足干涉系統(tǒng)的精度要求。

表2 準(zhǔn)直鏡組設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Designed parameters of collimating lens

由于可調(diào)諧激光器輸出的譜線線寬約為0.081 nm，因而透鏡組設(shè)計(jì)不需要考慮色差；而整個(gè)8～10 μm檢測(cè)波段跨度較寬，消色差設(shè)計(jì)難度較大，因此準(zhǔn)直鏡組未采用消色差設(shè)計(jì)。不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的像質(zhì)變化主要由離焦所致，可通過移動(dòng)針孔光闌和激光會(huì)聚透鏡的位置進(jìn)行補(bǔ)償。表3為Zemax軟件計(jì)算得到的不同工作波長(zhǎng)在焦點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的波前。可見，不同工作波長(zhǎng)的波前可以滿足測(cè)試的精度要求。

針對(duì)8～10 μm成像系統(tǒng)，我們將會(huì)聚鏡組以及成像鏡組設(shè)計(jì)為與準(zhǔn)直鏡組相同，系統(tǒng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償使像質(zhì)進(jìn)一步提高，如圖6(a)。由于鏡組焦距相同，系統(tǒng)放大率為1。會(huì)聚鏡組將準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)化為F/3.5的球面波，與待測(cè)系統(tǒng)的焦比相匹配。在不加入待測(cè)系統(tǒng)的情況下，使用一個(gè)等焦比的理想透鏡(不會(huì)引入任何像差)替換待測(cè)系統(tǒng)放入干涉儀，模擬干涉儀自身的波像差。仿真結(jié)果顯示，干涉系統(tǒng)的波像差均方根值為0.001 4 λ@9 μm，如圖6(b)，滿足待測(cè)系統(tǒng)衍射極限的裝調(diào)檢測(cè)需求。

在Zemax非序列模式下對(duì)干涉系統(tǒng)進(jìn)行建模，在探測(cè)器上觀察到仿真干涉條紋，如圖7。

圖5 準(zhǔn)直鏡組波前Fig.5 Wavefront of collimating lens

表3 準(zhǔn)直鏡組在不同波段對(duì)應(yīng)的波前

圖6 不加入待檢系統(tǒng)情況下干涉系統(tǒng)及波像差Fig.6 Interference system without the system under test and its wavefront

3 紅外干涉儀自校準(zhǔn)裝調(diào)方法

在進(jìn)行檢測(cè)之前，干涉儀自身需要進(jìn)行精確裝調(diào)，以獲得高質(zhì)量波前。但由于紅外波段肉眼不可見，干涉儀系統(tǒng)的裝調(diào)難度較大。為此，在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，我們考慮利用可見光He-Ne激光器實(shí)現(xiàn)干涉儀裝調(diào)。所以在設(shè)計(jì)準(zhǔn)直鏡和會(huì)聚透鏡時(shí)均采用可見光波段具有較好透過率的硫化鋅材料，并在膜系設(shè)計(jì)時(shí)考慮可見光的透過帶，在透鏡參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)也兼顧可見光的波前。裝調(diào)時(shí)采用自準(zhǔn)直的方法排列元件，如圖8。

圖7 非序列模式下干涉條紋圖

圖8 干涉儀裝調(diào)示意圖

將0.633 μm He-Ne激光器切入光路，光束會(huì)聚后經(jīng)針孔及準(zhǔn)直鏡，由標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡返回，使光點(diǎn)與針孔重合；在準(zhǔn)直光路中插入分束板，再利用標(biāo)準(zhǔn)平面鏡將光束返回；調(diào)整反射鏡的角度，在會(huì)聚透鏡處放置一接收屏，在屏上可以觀察到兩平行光束的干涉條紋；然后撤去觀察屏，插入會(huì)聚透鏡，調(diào)整會(huì)聚透鏡及標(biāo)準(zhǔn)平面鏡的角度，在會(huì)聚透鏡焦面上將兩光點(diǎn)調(diào)整至重合，此時(shí)利用可見光探測(cè)器接收干涉條紋，經(jīng)過精密調(diào)整將波前調(diào)整到最佳。

由光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬結(jié)果圖9(a)可見，系統(tǒng)波前均方根可達(dá)到0.05λ@0.633 μm，干涉條紋如圖9(b)。

圖9 可見光入射時(shí)的波前和干涉條紋Fig.9 Wavefront and interference fringes caused by visible light incidenting

中紅外波段與可見光的區(qū)別僅在于焦距不同，根據(jù)追跡軟件計(jì)算，波長(zhǎng)分別為9 μm和0.633 μm時(shí)，準(zhǔn)直鏡焦距差為3.570 mm，因此可以平移針孔光闌相應(yīng)的距離，而后切入中紅外激光束。為保證和可見光共光路，我們利用紅外靶標(biāo)進(jìn)行紅外和可見光的共光路調(diào)整[7]。此時(shí)系統(tǒng)僅有離焦誤差，只需微調(diào)針孔光闌的位置即可校準(zhǔn)干涉儀系統(tǒng)。同樣，在切換不同波長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)僅有離焦誤差，所以只需要沿光軸調(diào)整針孔即可。在Zemax中模擬不同工作波長(zhǎng)時(shí)干涉儀的調(diào)整情況如表4。

4 8～10 μm光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)檢測(cè)方法的初步模擬

干涉儀裝調(diào)完成后，將待檢8～10 μm光學(xué)系統(tǒng)插入干涉儀的檢測(cè)臂中，并調(diào)整參考光路中標(biāo)準(zhǔn)平面鏡的距離，實(shí)現(xiàn)等臂長(zhǎng)，此時(shí)即可開展波前的檢測(cè)。

由于真空制冷結(jié)構(gòu)的空間限制，會(huì)聚透鏡需放置于真空制冷系統(tǒng)中。干涉儀出射的準(zhǔn)直光束經(jīng)過封窗入射。裝調(diào)的具體步驟如下：

表4 干涉儀在不同工作波段對(duì)應(yīng)的波前

(1)將安裝好前后封窗的真空罐體放置于測(cè)試臂，此時(shí)真空罐密封頂蓋敞開，處于常溫常壓狀態(tài)；

(2)依次插入會(huì)聚透鏡、二次成像鏡組、干涉濾光片、場(chǎng)鏡，并逐次在各鏡組焦面后用標(biāo)準(zhǔn)球面鏡將光束返回形成干涉，每一步均通過觀察干涉條紋將波前調(diào)整到最佳；

(3)安裝一次成像鏡組，利用標(biāo)準(zhǔn)平面鏡將光束返回，并再次將波前調(diào)整到最佳。

此時(shí)，系統(tǒng)在常溫常壓環(huán)境下完成安裝。而后抽真空并加注液氮。當(dāng)溫度穩(wěn)定到100 K后，進(jìn)行工作溫度下檢測(cè)和裝調(diào)。需要說明的是，由于在檢測(cè)光路中會(huì)聚透鏡占據(jù)了觀測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器的位置，因此在8～10 μm光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，探測(cè)器和會(huì)聚透鏡可以在真空制冷條件下進(jìn)行切換，且均可以進(jìn)行多維度調(diào)整。

我們采用逆向優(yōu)化法進(jìn)行裝調(diào)，即利用Zemax通過設(shè)置失調(diào)量模擬干涉條紋，以此判斷光學(xué)元件失調(diào)量的大小與方向，從而指導(dǎo)系統(tǒng)裝調(diào)。以二次成像鏡組為例，當(dāng)二次成像鏡組分別沿x軸和y軸傾斜時(shí)，條紋隨鏡組傾斜角度變化的模擬結(jié)果如圖10。當(dāng)二次成像鏡組分別沿x軸和y軸偏心時(shí)，條紋隨鏡組偏心產(chǎn)生的變化如圖11。

圖10 不同傾斜角度時(shí)的條紋變化Fig.10 The change of fringe with different tilt angle

在實(shí)際檢測(cè)中，通過提取探測(cè)器獲得條紋信息，并對(duì)其進(jìn)行處理即可得出此時(shí)鏡組的失調(diào)量信息。因此，在模擬仿真的指導(dǎo)下，根據(jù)條紋的變化可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的裝調(diào)。

5 總 結(jié)

針對(duì)8～10 μm成像系統(tǒng)的高精度裝調(diào)檢測(cè)需求，本文設(shè)計(jì)了基于可調(diào)諧激光光源的泰曼-格林中紅外寬譜段干涉儀。針對(duì)紅外波段肉眼不可見給干涉儀自身裝調(diào)帶來的裝調(diào)困難，本文介紹了可見光波段干涉儀自校準(zhǔn)裝調(diào)的解決辦法，并對(duì)待測(cè)系統(tǒng)裝調(diào)流程進(jìn)行了仿真分析。本研究可為寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)裝調(diào)，以及紅外材料的光學(xué)性能參數(shù)的測(cè)量提供一種新方法。