光纤阵列太阳望远镜样机的光学设计及观测结果 下一代FASOT初步光学设计

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1 光纤阵列太阳望远镜样机的光学设计及观测结果 下一代FASOT初步光学设计
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 光纤阵列太阳望远镜样机的光学设计及观测结果 下一代FASOT初步光学设计 Fiber Array Solar Optical Telescope 常 亮 中科院云南天文台

2 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 为什么要研制FASOT？ 利用新技术同时获得光球和色球矢量磁场、动力学和热力学参量 分层结构的精确信息； 原理样机主要验证： 1. 积分视场单元IFU在太阳偏振测量上的应用； 2. 偏振光学开关：太阳表面同一个空间点（像元）两个垂直偏振 态同时成对测量（降低地球大气的影响）。 研制单位：云南天文台 南京大学 英国杜伦大学 南京天光所

3 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强

4 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强

5 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 光纤耦合系统设计要求： ** 匹配口径12英寸（304.8mm），焦比f/10的望远镜； ** 工作波段：510nm-540nm， ** 每个光纤对应天空角：2”， ** 工作视场：10”（5x5微透镜阵列） ** 太阳局部像经过光纤耦合系统成像到微透镜上进行图像分割，望远镜出瞳通过微透镜以f/4.65耦合到光纤中，若不考虑光纤的焦比退化，光纤出射端排列成虚拟狭缝，以f/4.65入射到光谱仪中。 ** 光纤空间覆盖误差小于1%.

6 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 设计原理及结果： **设计工作波段：500nm-1000nm **放大，光纤耦合，远心光路 **望远镜2“对应像面尺寸：29.55um **每个微透镜尺寸：250um **则放大率为：8.459 **准直镜设计为f=20mm,D=6mm 成像镜设计为：f=169.18mm,D=20mm **微透镜焦长为 mm，直径0.25mm，则入射到光纤端面的 焦比为f/4.65，望远镜出瞳在光纤表面成像大小为9.4um，到微透镜前的焦比为：84.59

7 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 设计要求mm 实际值mm 准直镜焦长 20 19.63 成像镜焦长 169.18 169.22 放大率 8.459 8.62 望远镜出瞳在光纤表面成像um 9.4 9.25

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9 太阳监视系统10‘

10 光学（共空间）粗调监视系统

11 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强

12 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 观测结果： 2012年11月份，到澳大利亚成功观测日食，验证了仪器要验证的理论 Z.Q. Qu, L.H.Deng, G.T. Dun, L. Chang, X.Y. Zhang1, X.M. Cheng, J.,Allington-Smith, G. Murray, Z.N. Qu, Z.K. Xue and L. Ma, APJ, 20, 2013, V773 - 2 

13 2013年7月29日FASOT原理样机已通过已方成院士为组长的专家组验收。
国际著名太阳物理学家J.O.Stenflo教授在其公开签名的推荐信中指出，“FASOT is technologically pioneering, since …. This may open the door to a new class of telescope facilities in solar physics”（FASOT 在技术上是先进的，因为…。 这一技术可能打开通向一类新的太阳物理观测仪器的大门）。 FASOT项目得到国家基金委和中国科学院天文联合重点基金的支持。其推进策略是：首先研制一台原理样机来验证其包含的两项具有创新意义的关键技术：1. 太阳大气中多条谱线同时偏振成谱成像，以及 2.利用积分视场单元(IFU)实现偏振光学开关的技术。前者是在国际上首次实现这样的功能。 后一技术主要用于提高偏振测量精度从而提高我们探测在太阳大气中广泛分布的弱磁场的能力。 根据观测结果推断其最佳偏振测量精度(rms) 可以达到1.2* 10-3；

14 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 2013年11月，在非洲加蓬共和国成功观测日全食，并观测到了日冕绿线(FeXIV530.3nm)的闪耀偏振光谱。

15 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 2013年9月8日第5次FASOT会议在昆明世博花园酒店召开，来自英国、美国、德国、瑞士、日本、意大利和俄罗斯的专家应邀参加会议，南京大学、国家天文台、紫金山天文台和我云南天文台相关专家和技术人员参加了该次研讨会。

16 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 下一代FASOT的观测目标： 1） 偏振测量灵敏度和精确度均好于8.0×10-4； 2） 对活动区完成一次完整偏振调制周期测量所需时间分辨率快于 10秒在，宁静区深积分图像可以延长到20秒； 3） 积分视场：1角分乘以1角分； 4） 空间分辨率在525nm处达到1角秒。每根光纤的空间覆盖采样 0.5角秒； 5） 6） 偏振测量的光谱窗口: 400nm-1085nm。

17 严谨求实 勤奋自强 2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS
Design Requirements: Telescope Dia:800mm F/#:f/12 Work Wavelength:400nm-1085nm Sample size (sky):0.5 arcsec FOV:First step is 0.5 arcmin; Final:1 arcmin Solar image monitor system Polarimeter Image Slicer Telescope Optical Design Scheme of 2nd generation FASOT

18 Cassegrain Focus Design
Folding Mirror SP Beam Telescope Focal Plane Image Slicer System Cal. Wheel UV Filter FLC2 compensator Polarization Splitter Collimator FLC1 LCVR Modulator IFU and Spectrograph Image Lens PS Beam

19 Cassegrain Focus Design
FOV:1 arcmin

20 Design Result: Focal length of Collimator:45mm
Image size on telescope focal plane(0.5 arcsec): 23.27um A Lenslet size:200um Magnification from telescope focal surface to image slicer/lenslet array:200/23.27=8.594 Focal length of image lens:45*8.594=386.73mm F/# to Image slicer/Lenslet Surface:12*M=103.12 Fiber array in First Step:30”/0.5”=60 Fiber numbers:60*60=3,600 for SP Beam or PS Beam,Total:7,200 Final Step:60”/0.5=120 Fiber numbers:120*120=14,400 for SP Beam or PS Beam,Total:28,800 for 4 image slicers, each one for 3,600 fibers for SP Beam or PS Beam

21 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 Design Result: Fiber Core Dia: 60um F/# to fiber: f/7 Lenslet focal length:1400um Pupil image on fibre core: 1400/(103.12*1.51) =8.95um F/# of fiber output: 1/ (2*(1/7)^2)^(1/2)=f/4.95 f/103.12 f/7

22 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 Spot Diagram Maximal area error :4.84% Minimum area error: 0.1%o

23 Equatorial mounting

24 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 1，光谱仪还在讨论 2. 杂散光问题 3. 热量 光纤盘线架 光谱仪数量 32？？ …………

25 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 光纤扰频增益特性的研究 常 亮 中科院云南天文台

26 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 1>什么是光纤扰频增益特性 2>光纤为什么要用在天文上 3>在天文上为什么要研究光纤扰频增益的特性 4> 我做的部分实验结果

27 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 多模光纤不能在所有传输模式下都完美地扰频，并且由于望远镜导星系统的稳定性和大气视宁度变化会导致在光纤输入端恒星位置的起伏波动，任何星像位置的变化都会引起光在光纤出射端能量分布的变化，从而导致光谱仪探测器上PSF质心位置和形状的改变，这些变化直接对视向速度的测量产生误差。 本项目建立起一套实验室评价系统，模拟星像在光纤入射端的位置变化，分析出射端PSF的改变，并运用机械和光学两种方法来研制光纤扰频增益装置，提高光纤的扰频增益，平滑光纤输出端的能量分布，从而减少在天文观测中视向速度的测量误差。目前国内尚未有相关实验的报道。

28 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 机械扰频法 1.光源（激光和卤素灯切换装置），2. 20X显微物镜，3. f=160mm 复消色差透镜，4.光阑，5.f=50mm复消色差透镜，6. 内径100um多模光纤，7,8,9 是一个4f系统，透镜焦长f=45mm, 10. 连续弯曲法扰频装置，11. 内径f=100um 多模待测光纤，12. CCD（带4X显微物镜）和powermeter切换装置 图 1 连续弯曲法扰频测试光路图

29 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 1.光源（激光和卤素灯切换装置），2. 20X显微物镜，3. f=160mm 复消色差透镜，4.光阑，5.f=50mm复消色差透镜，6. 内径100um多模光纤，7,8,9 是一个4f系统，透镜焦长f=45mm, 10. 连续弯曲法扰频装置，11. 内径f=100um 多模待测光纤，12. CCD（带4X显微物镜）和powermeter切换装置 图 2 连续弯曲法扰频测试实物图

30 Yunnan Observatory of CAS
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 移动0um，30um，60um，90um

31 Yunnan Observatory of CAS 左图为正对耦合无光学扰频光纤输出端能量分布 右图为正对耦合光学扰频光纤输出端能量分布
2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 光学耦合 左图为正对耦合无光学扰频光纤输出端能量分布 右图为正对耦合光学扰频光纤输出端能量分布 左图为与光纤表面法线成5度角耦合 右图为与光纤表面法线成5度角耦合 无光学扰频光纤输出端能量分布 光学扰频光纤输出端能量分布

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2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 结论： 1> 机械扰频对于数值孔径0.12的光纤，效果明显; 2> 光学扰频对于所有数值孔径的光纤，效果都很明显； 3> 无论机械扰频还是光学扰频，扰频装置要放在距离光纤出射端1.5米范围内， 效果明显； 4> 光学扰频会损失效率，相同条件下，要比机械扰频损失的多； 5> 非正入射到光纤端面的光，对出射端能量分布影响更大 下一步计划： 右图为ThAr灯标灯通过加装扰频装置光纤后，视向速度的漂移，达到了0.67m/s的定标精度

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2.4m Telescope Group Yunnan Observatory of CAS 严谨求实 勤奋自强 Q 请您多提宝贵意见！