余 苗,李建聰,林宏安,黃耀樟,羅佳雄,伍雁雄,3 ,王 智
(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院,廣東 佛山 528000;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033;3.季華實(shí)驗(yàn)室,廣東 佛山 528000;4.國科大杭州高等研究院 基礎(chǔ)物理與數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310024)
空間引力波探測是人類研究宇宙早期形成與演化過程的不可或缺的途徑。目前,對引力波的探測主要分為兩種方式:一種是地基干涉測量系統(tǒng);另一種是空間干涉測量系統(tǒng)??臻g干涉測量系統(tǒng)相較于地基干涉測量系統(tǒng)可以避免地震波、重力梯度、人為噪聲的影響[1],并且可以探測到頻率范圍在中低頻10-4Hz~1 Hz 波段的引力波,有效補(bǔ)充了地基干涉測量系統(tǒng)缺少的波段。其中,中低頻段的引力波信息具有豐富的天體物理來源,是研究宇宙早期結(jié)構(gòu)形成及歷時不可缺少的依據(jù)。
針對空間干涉系統(tǒng)測量在中低頻段探測的優(yōu)勢,歐洲航天局(European Space Agency,ESA)和美國國家航空航天局(NASA)提出了Laser Interferometer Space Antenna (LISA)計(jì)劃,中國科學(xué)院提出了太極計(jì)劃[2~4]。LISA 項(xiàng)目主要是探測和研究頻段在10-4Hz~10-1Hz 的引力波,而太極計(jì)劃探測和研究的引力波頻段在10-4Hz~1 Hz[5~6]。因此,太極計(jì)劃的波段將覆蓋歐空局LISA 計(jì)劃的探測頻段,并且在重點(diǎn)探測頻段(10-2Hz~1 Hz)具有比LISA 更高的探測靈敏度[6]??臻g干涉測量系統(tǒng)由3 個相同的航天器構(gòu)成,每個航天器上有兩個相同的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡作為信號的接收和發(fā)射裝置。由于望遠(yuǎn)鏡在收發(fā)信號過程中會受到各種噪聲的影響。這些噪聲將直接影響收發(fā)信號的強(qiáng)度信息和相位信息,從而影響引力波信號的解析精度[7]。對收發(fā)信號影響最大的兩種噪聲分別是波前誤差與抖動光程 (TTL) 耦合噪聲和散粒噪聲[8],為了減少這兩大噪聲帶來的影響,要求望遠(yuǎn)鏡具有非常好的波前質(zhì)量[6]。
基于太極計(jì)劃的牽引,ZHAO Y 和李建聰?shù)热艘淹瓿闪嘶谠順訖C(jī)的空間引力波望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì),其望遠(yuǎn)鏡的入瞳直徑達(dá)200 mm,放大倍率達(dá)40 倍[8~9]。接下來,本文將根據(jù)中國科學(xué)院太極計(jì)劃項(xiàng)目披露的當(dāng)前空間引力波望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)指標(biāo)[3]進(jìn)行設(shè)計(jì),要求望遠(yuǎn)鏡的入瞳直徑達(dá)400 mm,放大倍率達(dá)80 倍。在現(xiàn)有的空間引力波望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)中,望遠(yuǎn)鏡的口徑和倍率有所增大??趶降脑龃髸惯h(yuǎn)場航天器接收到的激光光強(qiáng)增強(qiáng),兩航天器間能量的傳輸效率提高,從而減小散粒噪聲對干涉信號提取的影響[10]。但是,相較于200 mm 口徑,400 mm 口徑的空間引力波望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的球差和慧差控制難度會變大。更重要的是,在加工誤差和裝調(diào)誤差相同的情況下,大口徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的波前誤差變化更加劇烈。這意味著大口徑和高倍率系統(tǒng)的靈敏度會更高,相應(yīng)地設(shè)計(jì)難度也會更大[11]。此外,在“太極”計(jì)劃空間引力波望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn),空間引力波望遠(yuǎn)鏡在軌時會受到溫度的變化以及重力釋放的影響,由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形,反射鏡特別是次鏡的空間位置會產(chǎn)生一定的偏移,導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的波前質(zhì)量下降。因此,若實(shí)現(xiàn)低靈敏度,則望遠(yuǎn)鏡在軌后仍然能維持高質(zhì)量波前,這對于保證空間引力波望遠(yuǎn)鏡的在軌穩(wěn)定性能是至關(guān)重要的,也是關(guān)鍵難題。
針對上述難題,本文首先分析現(xiàn)有的空間引力波望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)空間引力波望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)中次鏡靈敏度高,難以滿足更大口徑的空間引力波望遠(yuǎn)鏡對制造裝調(diào)公差的要求,特別是對在軌穩(wěn)定性公差要求。因此,提出一種新型望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),利用三鏡分擔(dān)次鏡的光焦度、中間像面設(shè)置于三四鏡之間并降低次鏡放大倍率,從而減小次鏡的靈敏度;再結(jié)合高斯光學(xué)理論方法,分析計(jì)算望遠(yuǎn)鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。其次,根據(jù)獲得的初始結(jié)構(gòu)參數(shù),對科學(xué)視場內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行波像差優(yōu)化,獲得滿足設(shè)計(jì)要求的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。最后,通過建立望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的靈敏度評價公差分配表,對新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行蒙特卡羅分析預(yù)測光學(xué)系統(tǒng)性能,并通過靈敏度分析得到誤差源導(dǎo)致的系統(tǒng)波前變化的累計(jì)概率。對新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的靈敏度結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證新型望遠(yuǎn)鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的低靈敏度優(yōu)勢。本文研究可為太極計(jì)劃的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)提供可靠的參考方案。
太極計(jì)劃中的望遠(yuǎn)鏡作為空間激光干涉測距系統(tǒng)的重要組成部分,需要實(shí)現(xiàn)相距三百萬公里的兩衛(wèi)星間的激光接收和發(fā)射,對其光程穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求。本文根據(jù)太極計(jì)劃的技術(shù)指標(biāo)要求[3],設(shè)置望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),如表1 所示。望遠(yuǎn)鏡的工作波長選用頻率和相位穩(wěn)定性極好的1 064 nm 波長??紤]到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光學(xué)元件難以避免地存在加工誤差和系統(tǒng)裝調(diào)誤差,故要求全視場RMS 波前退化量小于λ/30(λ=1 064 nm)的概率達(dá)到80%以上。
表1 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Specifications of telescope system
目前,空間引力波探測任務(wù)采用的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)是離軸四反無焦系統(tǒng)。根據(jù)目前披露的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)形式[6~9,12],望遠(yuǎn)鏡的中間像面普遍在次三鏡之間,可視為由兩個獨(dú)立的雙反射結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。該離軸四反無焦系統(tǒng)的光焦度主要由主次鏡承擔(dān),導(dǎo)致主次鏡的公差過于敏感。在裝調(diào)時一般會將主鏡固定,作為基準(zhǔn),避免主鏡偏移造成的裝調(diào)誤差[7]。在剩余的3 個反射鏡中次鏡靈敏度最高,對系統(tǒng)成像質(zhì)量影響最大。因此,如何降低次鏡的靈敏度是引力波望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。為解決該難點(diǎn),本文提出一種新型望遠(yuǎn)鏡架構(gòu),通過將望遠(yuǎn)鏡的中間像面調(diào)整到三四鏡之間,三鏡分擔(dān)次鏡的部分光焦度,并降低次鏡的放大倍率,從而起到降低次鏡公差靈敏度的效果。新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)可視為由一個三反射鏡系統(tǒng)和一個單反射鏡系統(tǒng)共同構(gòu)成,分別稱為望遠(yuǎn)鏡的前組和后組,望遠(yuǎn)鏡的初始結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
設(shè)α2為次鏡對主鏡的遮光比;α3為三鏡對次鏡的遮光比;α4為四鏡對三鏡的遮光比;β2、β3分別為次鏡和三鏡的放大率;f為望遠(yuǎn)鏡前組的焦距。引力波望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)作為一個無焦系統(tǒng),其主鏡物距為l1=∞,物方孔徑角u1=0。對系統(tǒng)進(jìn)行歸一化處理,則主鏡半口徑h1=1,前組系統(tǒng)焦距f=1。同時對于反射式光學(xué)系統(tǒng),折射率可以表示為:根據(jù)圖1,結(jié)合高斯光學(xué)理論,該同軸四反系統(tǒng)[13~15]的結(jié)構(gòu)參數(shù)可由式(1)、式(2)表示。
同軸四反系統(tǒng)各鏡的曲率半徑R1、R2、R3、R4的表達(dá)式如式(3)所示,主次鏡間隔d1、次三鏡間隔d2、三四鏡間隔d3的表達(dá)式如式(4)表示。
根據(jù)式(3)、式(4)可知,引力波望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)由α2、α3、α4決定。結(jié)合式(1)~式(4),并根據(jù)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的放大倍率τ=1/α2α3α4=80,經(jīng)推導(dǎo),本文的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。
表2 本文提出光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of the proposed optical system
離軸四反光學(xué)系統(tǒng)是在同軸四反光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對孔徑光闌離軸后優(yōu)化得到的。優(yōu)化過程中,需要在Zemax 中建立科學(xué)視場內(nèi)的波前誤差一致性優(yōu)化函數(shù),調(diào)整望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局,控制主次鏡之間的距離為700 mm,次鏡口徑大小為55 mm,主鏡y向偏心量為270 mm。除此之外,望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)光路的折疊方式、中間像面位置和出瞳位置,保證合理的裝調(diào)空間??紤]到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中次鏡會產(chǎn)生后向散射雜散光,本設(shè)計(jì)在中間像面處預(yù)留了放置視場光闌的合理空間,從而抑制雜散光的產(chǎn)生。優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。光學(xué)系統(tǒng)鏡頭數(shù)據(jù)如表3 所示。望遠(yuǎn)鏡主鏡面型采用拋物面,次鏡面型采用雙曲面,三鏡和四鏡面型采用球面。
圖2 優(yōu)化后的新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)Fig.2 Optimized new telescope structure
表3 優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)鏡頭數(shù)據(jù)Tab.3 Lens parameters of optimized optical system
各視場的波前誤差情況如圖3(彩圖見期刊電子版)所示,波前誤差的RMS 值和PV 值如表4所示。在科學(xué)視場范圍內(nèi),望遠(yuǎn)鏡出瞳處的波前誤差RMS 值為0.006 3λ,PV 值為0.034 9λ~0.035 2λ。結(jié)果表明望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的各視場波前質(zhì)量一致性好,望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的全視場都具有高質(zhì)量波前。
圖3 出瞳處不同視場的波前圖Fig.3 Wavefront diagrams of different fields of view at the exit pupil
表4 出瞳處的波前誤差Tab.4 Wavefront errors at the exit pupil
為了驗(yàn)證新型引力波望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)在大口徑、高倍率的情況下具有低靈敏度的優(yōu)勢,依據(jù)表1 的設(shè)計(jì)指標(biāo),在相同的尺寸包絡(luò)下,設(shè)計(jì)了一款典型的離軸四反望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下,新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的波前誤差RMS(λ=1 064 nm)為0.006 3λ,次鏡的放大倍率為9.7,現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的波前誤差RMS(λ=1 064 nm)為0.006 2λ,次鏡的放大倍率為12.8。具體結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示,波前分析如圖5(彩圖見期刊電子版)所示。
圖4 優(yōu)化后的現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)Fig.4 Optimized existing telescope structure
圖5 現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后的波前誤差圖Fig.5 Wavefront error diagram of existing telescope structure
由于實(shí)際生產(chǎn)中難以避免會存在加工誤差以及裝調(diào)誤差。空間引力波望遠(yuǎn)鏡的加工誤差包括反射鏡的曲率半徑公差、二次曲面系數(shù)公差、面型公差。裝調(diào)誤差包括反射鏡繞x,y,z軸3 個方向的傾斜和反射鏡在x,y,z軸方向上的位移,一般稱x、y軸方向上的位移為x、y向偏心。由于主鏡在裝調(diào)時一般會固定作為基準(zhǔn),所以公差分析時,主鏡只需要分析加工誤差。綜合考慮望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)由于加工誤差、裝調(diào)誤差導(dǎo)致的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)變化后,設(shè)計(jì)公差分配方案,具體公差分配如表5 所示。
按照表5 的公差分配情況,在Zemax 中,分別對新型和現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行蒙特卡羅分析及預(yù)測光學(xué)系統(tǒng)性能,并在靈敏度分析中得到了誤差源導(dǎo)致系統(tǒng)波前變化的累計(jì)概率,具體如表6、7 所示。為了檢驗(yàn)公差分析結(jié)果是否滿足探測要求,本文分別提取了新型和現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的500 個公差文件的波前誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,公差文件對應(yīng)的分析結(jié)果如圖6 所示。新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)全視場RMS 波前退化量小于λ/30(λ=1 064 nm)的概率為82.4%,現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)全視場RMS 波前退化量小于λ/30(λ=1 064 nm)的概率為63.2%。經(jīng)計(jì)算,新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的靈敏度相較于現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的靈敏度降低了30.4%,證明了新型結(jié)構(gòu)形式不僅滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,而且具有更加寬松的公差條件。
圖6 公差分析結(jié)果Fig.6 Tolerance analysis results
表6 新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)波前誤差累計(jì)概率Tab.6 Cumulative probability of wavefront error of the proposed telescope structure
表7 現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)波前誤差累計(jì)概率Tab.7 Cumulative probability of wavefront error in existing telescope structures
另外,由于在所有可能的公差范圍內(nèi),靈敏度分析結(jié)果數(shù)據(jù)量多達(dá)56 組,因此,通過Zemax 的靈敏度分析文件分別導(dǎo)出了新型和現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)中最靈敏的10 項(xiàng)公差項(xiàng),在表8 和表9 中以遞減的方式呈現(xiàn)。表8、表9 中的影響量用于預(yù)測光學(xué)系統(tǒng)的性能。影響量數(shù)值越大代表該公差項(xiàng)對波前質(zhì)量影響越大,該類型的公差項(xiàng)越靈敏。通過觀測表8 和表9 的影響量,發(fā)現(xiàn)相較于現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu),新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢是降低了望遠(yuǎn)鏡次鏡偏心變化導(dǎo)致的高靈敏度。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性,本文分析兩種望遠(yuǎn)鏡的次鏡偏心變化對系統(tǒng)波前質(zhì)量的影響,獲得望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的波前退化數(shù)據(jù)。因此,本文根據(jù)公差分配條件,分別分析了兩種望遠(yuǎn)鏡關(guān)于次鏡x向或y向偏心變化引起的波前質(zhì)量退化,具體分析結(jié)果如圖7、8所示。
圖7 新型和現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的次鏡X 向偏心與波前關(guān)系Fig.7 Relationships between X-eccentricities and wavefronts of the secondary mirror in the new and existing telescope structures
表8 新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)中最靈敏的10 項(xiàng)公差項(xiàng)Tab.8 The 10 most sensitive tolerance terms in new telescope structure
表9 現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)中最靈敏的10 項(xiàng)公差項(xiàng)Tab.9 The 10 most sensitive tolerance terms in existing telescope structures
由圖7、圖8 可知,新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的次鏡在±18 μm 的x、y向偏心變化范圍內(nèi)的波前退化量明顯小于現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。隨著偏心量由0 至18 μm 或由0 至-18 μm 逐漸偏移望遠(yuǎn)鏡的初始偏心設(shè)計(jì)參數(shù)時,新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的RMS 波前退化量相差數(shù)值逐漸增大。例如,在次鏡的Y向偏心變化為18 μm 時,兩種系統(tǒng)的RMS 波前退化量相差數(shù)值達(dá)到了最大,新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)相較于現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的RMS 波前退化量減少了λ/100(λ=1 064 nm),而望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的全視場RMS 波前退化量要求僅是小于λ/30(λ=1 064 nm)。以上具體數(shù)據(jù)驗(yàn)證了新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)可有效減少由次鏡偏心變化引起的RMS 波前退化量,具有低靈敏度優(yōu)勢??捎行Ы鉀Q空間引力波望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)大口徑、高倍率和低靈敏度的難點(diǎn)。
圖8 新型和現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的次鏡Y 向偏心與波前關(guān)系Fig.8 Relationships between Y-eccentricities and wavefronts of the secondary mirror in the new and existing telescope structures
本文針對引力波探測對望遠(yuǎn)鏡的大口徑、高倍率、低靈敏度的需求,首先分析了現(xiàn)有空間引力波望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)特性,提出了一種降低次鏡放大倍率且中間像面在三四鏡之間的新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu),從而降低望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的靈敏度。結(jié)合高斯光學(xué)公式,計(jì)算獲得了望遠(yuǎn)鏡初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。其次,通過在Zemax 中建立各視場波前誤差的一致性優(yōu)化函數(shù),對望遠(yuǎn)鏡初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到了離軸望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),其入瞳直徑達(dá)400 mm,放大倍率達(dá)80 倍,并且在±8 μrad 的科學(xué)視場內(nèi),波前誤差RMS 值優(yōu)于0.006 3λ。最后,根據(jù)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的公差分配條件,利用Zemax 的靈敏度分析結(jié)果,得到了誤差源導(dǎo)致系統(tǒng)波前變化的累計(jì)概率。結(jié)果表明:由系統(tǒng)的加工誤差和裝調(diào)誤差引起的波前退化量有82.4%以上的概率優(yōu)于λ/30(λ=1 064 nm)。對比現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)與新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的靈敏度分析結(jié)果,新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的靈敏度較現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)高30.4%。新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢是降低了望遠(yuǎn)鏡次鏡偏心變化導(dǎo)致的高靈敏度。結(jié)果表明,本文提出的新型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)具有低靈敏度優(yōu)勢,而且降低了由次鏡偏心變化導(dǎo)致的高靈敏度,為空間引力波探測的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種優(yōu)選方案。