Улучшение кросс-дисперсионной призмы и проекционной камеры спектрографа высокого спектрального разрешения для 6-метрового большого телескопа азимутального (БТА)

Размещено на http://allbest.ru

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики

Доклад

Улучшение кросс-дисперсионной призмы и проекционной камеры спектрографа высокого спектрального разрешения для 6-метрового большого телескопа азимутального (БТА)

Д.А. Сазоненко

Введение

Значительная, если не преобладающая, часть наших знаний о космосе получена с помощью спектрального анализа. Спектральные исследования астрофизических объектов позволяют проводить одновременные измерения их температур, магнитных полей, масс, химического состава, скоростей движения и других параметров. С развитием методов моделирования атмосфер звезд, излучения туманностей и других протяженных космических объектов требования к характеристикам астрономических спектрографов также повышаются. В целом, все это стимулирует развитие спектроскопии.

Рассматриваемый в данной работе спектрограф, является эшелле-спектрографом с оптоволоконным входом. Важным достоинством оптоволоконных спектрографов является их высокая механическая стабильность. Отсутствие у российских обсерваторий аналогичных инструментов автоматически определило их отставание по целому ряду направлений исследований в последние двадцать лет.

Оптическая схема спектральной части

Принципиальная оптическая схема спектрографа приведена на Рис. 1. Свет от щели 1 коллимируется в отношении F=11:6 внеосевым коллиматором 2 и падает на дифракционную эшелле-решетку 3, которая работает с коллиматором 2 в режиме автоколлимации под небольшим углом к оптической оси в плоскости рисунка для отвода диспергированного пучка в сторону от пути света от щели. После отражения от эшелле-решетки и коллиматора 2 диспергированный свет возвращается к фокальной плоскости коллиматора 2, где перехватывается ломающим зеркалом 4 и вновь коллимируется коллиматором переноса 5. В фокусе коллиматора 5 диспергированный пучoк формирует изображения зрачка (?белый зрачок?: вторичное изображение эшелле-решетки). В этом месте размещается кросс-дисперсионная призма 6, после чего пучок фокусируется на ПЗС (8) линзовой камерой 7.

Рис. 1

Задание состояло в замене кросс-дисперсора, состоящего из двух склееных призм и голограммы дифракционной решетки между ними 6, на кросс-дисперсор, состоящий из одиночной призмы с нанесенной на одну из её граней дифракционной решеткой, и оптимизации камеры 7 под новые условия работы. Необходимость замены кросс-дисперсора возникла по причине высокой цены и сложности создания изначального варианта.

Для решения поставленной задачи необходимо учесть множество факторов. Материал призмы должен обеспечивать упаковку порядков таким образом, чтобы минимальное расстояние между соседними линиями порядков спектра составляло не менее 700 мкм.

Данное условие необходимо для возможности работы как в спектроскопическом, так и в спектрополяриметрическом режиме, в котором количество линий спектра удваивается. Для правильной упаковки порядков, помимо материала, необходимо подобрать такое соотношение угла рефракции и частоты дифракционной решетки на призме, чтобы все порядки укладывались на матрицу размером 60х60 мм. Так же материал призмы должен иметь высокий коэффициент пропускания на диапазоне длин волн 400-700 нм, чтобы обеспечить наименьшее количество потерь света в заданном диапазоне работы и как следствие уменьшить время экспозиции для единичного измерения. Проекционная камера так же должна отвечать высоким требованиям к коэффициенту пропускания используемых в ней материалов. Помимо этого, камера должна давать пятна рассеяния, для каждой длинны волны диапазона, диаметром не более 15 мкм хотя бы для 80% энергии. Это связано с конфигурацией используемой матрицы с размером пиксела 15 мкм.

Кросс-дисперсор

В первую очередь был проведен анализ стёкол, которые можно использовать для создания призмы. Из отечественных стёкол, которые представлены в каталоге ЛЗОС, кроны подходили по диапазону пропускания, но обеспечивали плохое разведение порядков, флинты же давали приемлимое разведение, однако не удовлетворяли условию хорошего пропускания в синей области спектра. (см рис.2).

По этой причине пришлось рассматривать стёкла из зарубежных каталогов, в частности каталогов фирмы SHOTT и OHARA. Первоначальный отбор стекол происходил по их коэффициентам пропускания в рабочем диапазоне системы. После этого был проведен анализ отобранных стёкол по разведению ими спектральных порядков. Наиболее приемлемыми оказались стёкла SF1 SF5 из каталога SHOTT и PBM2Y из каталога OHARA. Разведение спектральных порядков этими стёклами представлено на рис. 3.

Рис 2

Рис 3

Угол рефракции и частота решётки подобрана таким образом, чтобы спектральные порядки были максимально разведены на всю высоту матрицы. Как видно из рис. 3, наилучшее разведение порядков обеспечивается стеклом SF1, однако коэффициент пропускания у данного стекла для длины волны 400 нм составляет 0.92 для 25мм стекла. При средней толщине призмы в 130 мм на выходе остается 65% света. Даже не смотря на то, что для упаковки порядков на всю высоту матрицы для стекла SF1 необходима решетка всего в 150 линий на миллиметр, в итоге для призмы было выбрано стекло PBM2Y.

Выбранное стекло, на длине волны 400 нм, имеет коэффициент пропускания 0.997 для 10 мм стекла что в пересчёте на среднюю толщину призмы, 130 мм, составляет 96%. Хоть для разведения спектральных порядков и требуется дифракционная решетка в 200 линий на миллиметр, данное стекло было рекомендовано для выбора, так как оно удовлетворяет техническому заданию обеспечить разведение спектральных порядков минимум в 700 мкм, даёт наименьшие потери света, что является приоритетным для эшелле-спектрографа, а так же выбранное стекло является более дешёвым и доступным чем стёкла фирмы SHOTT. Ход лучей через новый кросс-дисперсор показан на рис. 4.

Рис. 4

Проекционная камера

В качестве фокусирующей камеры используется линзовая комбинация из семи сферических оптических элементов с эффективным фокусом 477 мм. Камера схематически изображена на Рис.4 . Эта камера является адаптированным к данной схеме клоном камеры красного плеча спектрографа UVES. Выбор этой камеры определен ее весьма удачными аберрационными характеристиками, что позволяет достичь спектрального разрешения R = 100 000 без больших потерь на диафрагмировании входной щели спектрографа. Адаптация этого решения для UVES к данному проекту идет в направлении улучшения аберрационных характеристик камеры в диапазоне 400-750 нм. Для данной камеры планируется использование многослойного покрытия MgF2. При помощи локальной оптимизации в программе ZEMAX была произведена переработка данной камеры под необходимые условия работы.

Целью оптимизации было уменьшение пятен рассеяния для каждой длинны волны рабочего диапазона. После достижения этой задачи с оригинальными стёклами, была проведена работа по поиску аналогичных или близких по параметрам стёкол, для уменьшения поглощения света проекционной камерой, после подбора стёкол была проведена оптимизация по тем же параметрам. Далее при помощи программы OPAL полученные радиусы были приведены к радиусам ГОСТ по 1000-му ряду и была произведена ещё одна оптимизация за счёт изменения воздушных промежутков системы. Конструктивные параметры камеры представлены в табл. 1.

Табл.1

Расположение представленных точек порядка на матрице 60х60 мм:

Рис.5

Полученная система полностью удовлетворяет техническому заданию. Как видно из рис. 5, все спектральные порядки полностью укладываются в матрицу 60х60мм. Большим плюсом полученной системы является то, что наилучшие пятна получились на очень важном диапазоне 500-600нм, данный диапазон используется для высокоточного измерения лучевых скоростей звездообразных объектов.

Как было сказано ранее, оптической системой обеспечивается разведение спектральных порядков минимум в 700 мкм и подобранные стёкла дают минимально возможное поглощение света. Оценка эффективности камеры и всей системы представлена в табл. 2.

Эффективность камеры рассчитана с учётом потерь на поверхностях с двухслойным покрытием MgF2.

За счет оптимального подбора стёкол для проекционной камеры и кросс-дисперсора, мы значительно минимизировали потери света на этих элементах спектрографа, что позволило поднять теоритическое значение эффективности, в синей области спектра, до 7.4%, а в основной области 500-600 нм до 14%. астрономический спектрограф свет призма

Оценка эффективности новой системы по сравнению с первоначальной представлена на рис. 7

Аннотация

Улучшение кросс-дисперсионной призмы и проекционной камеры спектрографа высокого спектрального разрешения для 6-метрового большого азимутального телескопа (БТА). Д.А. Сазоненко. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики

В докладе описывается улучшение и оптимизация оптической схемы спектрографа высокого спектрального разрешения за счёт замены кросс-дисперсора и переработки проекционной камеры.

Размещено на Allbest.ru