CC BY
33
АСТРОФИЗИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ, 2016, том 71, № 2, с. 270-278
УДК 520.353:520.85
СПЕКТРОГРАФ ВЫСОКОГО СПЕКТРАЛЬНОГО РАЗРЕШЕНИЯ С ОПТОВОЛОКОННЫМ ВХОДОМ ДЛЯ 6-М ТЕЛЕСКОПА САО РАН.
ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МОДУЛЬ
©2016 Д. Е. Кукушкин1*, Д. А. Сазоненко1, А. В. Бахолдин1**, М. В. Юшкин2, В. Д. Бычков2
'Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики, Санкт-Петербург, 197101 Россия
2Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Нижний Архыз, 369167 Россия Поступила в редакцию 24 апреля 2015; принята в печать 2 марта 2016
В статье представлен расчет поляризационного модуля для оптической схемы спектрографа высокого спектрального разрешения с оптоволоконным входом для 6-м российского телескопа. Обсуждается вариант его интегрирования в конструкцию конверсионной оптики на входе в оптоволоконный тракт инструмента. Приведена оценка эффективности всей предоптоволоконной оптической системы. Световая эффективность сборки составляет 80% в режиме поляризационных измерений и 90% в режиме обычной спектроскопии. Оценен нижний предел искажающих инструментальных эффектов поляризационного модуля.
Ключевые слова: инструменты: поляриметры — инструменты: спектрографы
1. ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа является продолжением исследований по проекту создания высокоточного эшелле-спектрографа с оптоволоконным входом для российского телескопа БТА Специальной астрофизической обсерватории1 (САО РАН). Наличие такого инструмента приведёт к значительному расширению возможностей российских ученых в астрофизических исследованиях. Список и обоснование этих возможностей, а также технические детали проекта изложены в работе [1]. Кроме того, по мере реализации проекта будет разработан и применён целый ряд технологий, которые могут быть рассмотрены в качестве новых научно-технических заделов для оптической промышленности в области спектроскопии и создания крупногабаритной оптики. Сотрудниками САО РАН предложена базовая версия спектрографа [1, 2] с полным самосогласованным расчетом всех ее оптических элементов. Идеи, заложенные в принципиальной оптической схеме прибора, являются развитием концепции, реализованной в [3]. В настоящей статье представлен расчет поляризационного модуля для обеспечения режима спек-
E-mail: intenso.dk@gmail.com
E-mail: bakholdin@aco.ifmo.ru
1 http://www.sao.ru
трополяриметрических наблюдений [1,4, 5]. Модуль интегрирован в блок конверсионной оптики, которая согласует апертуру телескопа с входной апертурой оптоволоконного тракта спектрографа. В работе также дается оценка эффективности всей предоптоволоконной части спектрографа. В разделе 1 мы коротко описываем уже существующую концепцию спектрографа, отмечаем достоинства и недостатки его оптической схемы. В разделе 2 обсуждаем оптическую схему той части спектрографа (далее «навесная часть»), которая планируется к размещению в первичном фокусе (ПФ) БТА. Вариант поляризационного модуля для обеспечения спектрополяриметрического режима работы спектрографа и аргументы в пользу этого варианта мы приводим в разделах 3 и 4. В Заключении обсуждаются достоинства и недостатки всей оптической схемы навесной части и дается оценка ее эффективности.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Спектрограф состоит из транспортабельной навесной части, оптоволоконного тракта и собственно эшелле-спектрографа, стационарно размещенного в специальном помещении на фундаменте телескопа. Навесная часть размещается в первичном фокусе (ПФ) БТА. Эта часть обеспечивает
формирование пучков и организует все необходимые режимы работы инструмента. Оптоволоконный канал представляет собой собранный в защитном кожухе жгут оптоволокон длиной 53 м. Канал предназначен для переноса света, собранного главным зеркалом телескопа, к щели спектрографа, где этот свет разлагается в спектр и регистрируется широкоформатным ПЗС-приемником. В отличие от щелевых схем спектральной аппаратуры, традиционно размещаемой непосредственно при штатных фокусах телескопов, такая концепция спектрографа обеспечивает ему наивысшую температурную и механическую стабильность. Более подробно описание узлов и режимов работы спектрографа приведены в [1, 2]. Согласно требованиям, рассмотренным в [1], конструкция навесной части спектрографа должна обеспечивать основные режимы спектральных и спектропо-ляриметрических наблюдений. Последний режим предполагает использование поляризационной оптики, которая в традиционной концепции [4, 5] раскладывает свет от исследуемых объектов на два ортогонально поляризованных луча, формирующих два независимых канала в спектрографе: каналы обыкновенного и необыкновенного лучей. Это накладывает целый ряд специальных требований к согласующей оптике навесной части. Одним из них является необходимость [5] организации отрезка с параллельным ходом лучей до входа в оптоволокно для размещения там поляризационного узла. Кроме того, наличие согласующей оптики перед входом в оптоволокно необходимо для преобразования пучка с числовой апертурой A = 0.125 (соответствует относительному отверстию D = F/4) к менее светосильному — A' = 0.018 (D = F/30). Обоснование этого преобразования см. в [1], где концептуально разработан и представлен вариант согласующей оптики. Задачей, решаемой в рамках этой статьи, является оптимизация описываемой схемы для работы с поляризационным модулем (далее анализатором, или анализатором поляризации). Выбор и оптимизация схемы анализатора также являются предметом исследования.
3. СОГЛАСУЮЩАЯ И ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ОПТИКА СПЕКТРОГРАФА
Конструкция и режимы работы согласующей и поляризационной оптики навесной части схематично представлены в [1]. Конструкция обеспечивает три основных режима работы: режим традиционной спектроскопии с возможностью одновременного получения спектров объекта и фона, режим высокоточной спектроскопии и спектрополяримет-рический режим. Все три режима требуют организации в навесной части двух независимых световых
каналов. В случае обычной спектроскопии каналы организуются с использованием на входе двух диафрагм. При этом одна из диафрагм формирует канал со светом от изображения объекта, а другая — либо канал фона неба в непосредственной близости от объекта, либо канал искусственного источника света от эталона для прецизионной калибровки по длинам волн (далее по тексту «эталон»). В случае спектрополяриметрических наблюдений световые каналы формируются поляризационной оптикой, которая, как указано выше, требует наличия параллельного хода лучей между оптическими элементами конверсионной оптики.
Согласующая оптика (рис. 1) состоит из входного объектива 1, который коллимирует пучок от телескопа (О = F/4), и объектива 5, который преобразует пучок к О = F/30 для дальнейшего согласования его с апертурой входа в оптоволокно (детали см. в [1]). С этим относительным отверстием оптическая система фокусирует парные комбинации изображений (объект—фон, объект—эталон, обыкновенный—необыкновенный поляризованные лучи), обеспечивающие полный набор режимов работы спектрографа. В этом исследовании мы рассчитываем блок согласующей оптики с добавлением в него набора поляризационной оптики, состоящего из призмы Волластона и последовательно вводимых перед ней фазовых пластин [6] (см. рис. 1 и следующий раздел, в котором даны детали работы поляризационного узла). Все расчеты проводились с использованием стандартного пакета программы Zemax.
Реализованная в результате расчетов оптическая система имеет следующие характеристики: фокусное расстояние первого компонента составляет 81.36 мм, второго — 551.3 мм. Конструктивные параметры оптических элементов схемы представлены в таблице 1. При угловом поле в 1' 5 (размер диафрагмы) входная числовая апертура репродукционной системы составляет А = 0.125, выходная числовая апертура составляет А = 0.018; диаметр коллимированного светового пучка составляет 21 мм. Призма Волластона состоит из двух пластин исландского шпата с размером основания 2 мм и высотой 30 мм. Суммарная толщина поляризатора составляет 4 мм, что позволяет минимизировать потери света в нем.
Пропускание всей системы при длине волны А = 380 нм с учетом потерь на границе сред без антиотражающего покрытия и с однослойным ан-тиотражающим покрытием на основе MgF2 представлены в таблице 2. Покрытие оптимизировано на длину волны 380 нм (коротковолновая граница рабочего диапазона). Эта длина волны выбрана для иллюстрации нижнего предела пропускания. На этом пределе полное пропускание просветленной
272
КУКУШКИН и др.
Рис. 1. Оптическая схема предоптоволоконной части: (1,5) — согласующая оптика, (2) — поляризационная пластинка Л/2, (3) — поляризационная пластинка Л/4, (4) — поляризационный расщепитель — призма Волластона.
Таблица 1. Конструктивные параметры согласующей оптики
Элемент Радиус Толщина Марка стекла Световой
схемы, кривизны, по оси, по каталогу диаметр,
рис. 1 мм мм ЛЗОС мм
1 76.910 10 К8 17.152
25 0.3 18.138
25 15 ОК4 18.336
-22.910 4 СТК12 19.738
Воздух -35.810 145.5 20.864
5 138.680 4 СТК12 21.342
89.540 10 ОК4 21.112
914.100 600 20.894
оптики (см. таблицу 2) оценивается нами около 70% в поляризационном режиме и 83% в обычном спектроскопическом режиме. С увеличением длины волны и применением многослойного покрытия MgF2 пропускание системы увеличивается, достигая значений 82% в поляризационном режиме и 93% в режиме традиционной спектроскопии. Эти светопотери не учитывают аберрационные искажения пучка фокальной плоскости, что влечет за собой потери на входе в оптоволокно. Для того чтобы их оценить, рассмотрим более детально поляризационный модуль.
4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МОДУЛЬ
Согласно общим принципам организации магнитометрических и спектрополяриметрических наблюдений [5], поляризационный модуль состоит из полуволновой 2 и четвертьволновой 3 пластин (рис. 1) и поляризационного расщепителя 4. Расщепитель делит пучок на обыкновенный и необыкновенный ортогонально поляризованные пучки и разносит их в пространстве. Комбинация «полуволновая пластина—расщепитель» соответствует режиму наблюдений линейно поляризованного света. Комбинация «четвертьволновая пластина— расщепитель» обеспечивает наблюдения круговой поляризации. Подробно о теории и методике поляризационных наблюдений см. в [5]. Наша задача заключалась в разработке такой оптической схемы, которая будет обеспечивать оптимальное деление светового потока на обыкновенный и необыкновенный лучи для дальнейшего ввода их в оптоволокно заданной конфигурации [1].
После рассмотрения нескольких вариантов композиции поляризационного модуля было отдано предпочтение варианту, в котором в качестве поляризационного компонента используется призма Волластона с преломляющим углом 1 ?5 (рис. 1) и углом разведения лучей ф = 31'1" (Л = 587.56 нм) [7]. Данная схема позволяет использовать большой рабочий отрезок для разведения поляризованных пучков на необходимое расстояние (в данном случае 4 мм — расстояние между торцами оптоволоконных входов каждого из световодных каналов). Такая компоновка обеспечивает одну оптическую схему для работы во всех режимах, а также минимизирует потери света и удешевляет изготовление всего поляризационного блока.
Таблица 2. Параметры пропускания системы
Пропускание (для прошедшего
Марка стекла Толщина по оси, мм света) без антиотражающего покрытия (NULL) и с антиотражающим покрытием на основе MgF2 (MgF2) Длина волны, нм
Граница сред MgF2 0.988 380
воздух—К8 NULL 0.956
К8 10 0.975 380
Граница сред MgF2 0.988 380
К8—воздух NULL 0.956
Граница сред MgF2 0.982 380
воздух—ОК4 NULL 0.965
ОК4 15 0.994 380
Склейка 0.998 380
СТК12 4 0.961 380
Граница сред MgF2 0.997 380
СТК12—воздух NULL 0.93
Граница сред MgF2 0.983 380
воздух—кварц NULL 0.963 380
(кварцевое
защитное стекло
фазосдвигающей
пластины)
Фазовая пластина 5 0.92 380
(суперахромат-5) Данные взяты из [6]
Граница сред MgF2 0.983 380
кварц—воздух NULL 0.963
Граница сред MgF2 0.996 380
воздух—кристалл NULL 0.934
КУКУШКИН и др. Таблица 2. (Продолжение)
Пропускание (для прошедшего
Марка стекла Толщина по оси, мм света) без антиотражающего покрытия (NULL) и с антиотражающим покрытием на основе MgF2 (MgF2) Длина волны, нм
исландского шпата
Исландский шпат 4 0.922 (обыкновенный луч) 380
(Са1сНе) 0.948 (необыкновенный луч) 0.935 (средний)
Граница сред MgF2 0.996 380
кристалл исландского NULL 0.934
шпата—воздух
Граница сред MgF2 0.997
воздух—СТК12 NULL 0.93
СТК12 4 0.961 380
Склейка 0.998
ОК4 10 0.996 380
Граница сред MgF2 0.982 380
ОК4—воздух NULL 0.965
Общее пропускание MgF2 0.69 380
вместе с поляриза- NULL 0.45
ционной оптикой
Общее пропускание MgF2 0.83 380
без поляризационной NULL 0.65
оптики
Анализ пятен рассеяния каждого из поляризованных пучков для конечного варианта системы (рис. 2) показал, что оптическая схема в целом соответствует требованиям, предъявляемым к качеству изображения, и может быть использована в базовой схеме инструмента.
К достоинствам выбранной системы можно от-
нести ее относительно высокую прозрачность в
рабочем диапазоне длин волн (таблица 2). Преимуществами являются также простота изготовления,
невысокая цена и отсутствие необходимости значительного усложнения конструкции для улучшения ее характеристик. Возможна и модернизация
Рис. 2. Пятна рассеяния одного из двух поляризованных пучков для выделенных длин волн рабочего диапазона. Результаты для другого пучка идентичны.
системы для работы в ближней инфракрасной области спектра.
На рис. 3 представлено качество изображения в спектроскопическом режиме работы (без анализатора поляризации). Пятна рассеяния точки для разных длин волн диапазона полностью соответствуют требованиям [1].
В спектрополяриметрическом режиме работы система обладает хроматизмом в силу расходимости поляризованных пучков разных длин волн. Хроматическая аберрация растягивает в сагиталь-ной плоскости изображение полуторасекундной диафрагмы от 1.305 мм до 1.7 мм. При прохождении пучков света через оптоволокно большой длины (десятки метров) хроматизм нейтрализуется, однако на входе в оптоволокно это «растяжение» приведет к дополнительным потерям света (примерно 5—7%) при согласовании оптоволокна для работы с полуторасекундной диафрагмой. Во избежание этих потерь придется соответственно увеличивать диаметр сердцевины волокна. Это, в свою очередь, приведет к незначительной потере спектрального разрешения на выходе, что при всех остальных преимуществах позволяет нам рекомендовать схему для производства. В будущем, в зависимости от структуры оптоволоконного входа, можно пробовать компенсировать хроматизм введением оптических клиньев непосредственно перед входом в каждый из каналов. К настоящему моменту структура входов (апертуры волокон и типы входных микролинз) еще не определена, поэтому вопрос исправления хроматизма мы опускаем до будущего специального исследования. Темой отдельного исследования будет и полный анализ всех поляризационных эффектов на всех узлах инструмента. Его предполагается провести
тогда, когда будет окончательно выбрана схема поляриметра и сконструирован прототип (опытный образец). В настоящий момент уже определен производитель фазосдвигающих пластин [6], и мы можем оценить эффекты деполяризации и «накачки» ненулевой инструментальной поляризации при взаимодействии с фазосдвигающими пластинами — так называемый кростолк-эффект(от англ. «crosstalk»).
5. ОЦЕНКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ ФАЗОСДВИГАЮЩИХ ПЛАСТИН В ИЗМЕРЕНИЯХ ПАРАМЕТРОВ СТОКСА
Не рассматривая на данном этапе призму Вол-ластона, оценим величину кростолк-эффекта и деполяризации из-за хроматизма поляризационных свойств фазосдвигающих пластин анализатора, который является одной из основных причин инструментальных искажений в поляризационном модуле. В строгом изложении теория вопроса представлена в [5].
Полагая все прочие параметры анализатора поляризации идеальными, мы можем оценить эффекты «накачки» ненулевой инструментальной круговой поляризации при прохождении линейно поляризованного света через четвертьволновую пластину (кростолк F(V)) и инструментальной линейной поляризации при прохождении через полуволновую пластину света круговой поляризации (кростолк F(Q,U)) в долях от интенсивности входящего света. Например, при анализе круговой поляризации, если на анализатор с четвертьволновой пластиной на входе подается 100% линейно поляризованный свет, из-за неидеальности реализации
276
КУКУШКИН и др.
0.0011 с1е£ -0.0002 (¡ег 0 0.0002 (¡ей 0.0011
Рис. 3. Пятна рассеяния неполяризованного пучка.
0.0005
0.00045
0.0004
0.00035
Ц_ 0.0003
0.00025
0.0002
0.00015
0.0001
380
430
480
530
580
630
680
730
0.0014
О
0.0012
0.001
0.0008
0.0006
0.0004
0.0002
380 430 480 530 580 630 680 730
Wavelength, nm
Рис. 4. Кростолк в результате хроматизма поляризационных свойств пластин Л/4 (Е(V) верхняя панель) и Л/2 (Е,и) нижняя панель) в зависимости от длины волны.
четвертьволнового фазового сдвига на выходе из пластины будет не 100% круговая поляризация, а эллиптическая. Это, в свою очередь, приведет к тому, что призма Волластона с ориентацией осей 0?/90?, соответствующих каноническому режиму измерения круговой поляризации (детали см. в [5]), пропустит по своим осям свет не в равных долях. Из этого будет следовать вывод о ненулевой круговой поляризации на входе, несмотря на то, что туда подавался 100% линейно поляризованный свет. Кростолк Г(V) в данном случае оценивается как доля прошедшего через систему света, преобразованного в круговую поляризацию от линейно поляризованного света, поданного на вход. Аналогично можно оценить и величину «накачки» при определении параметров Стокса Q и и в режиме измерения линейной поляризации.
На рис. 4 приведены оценка величины «накачки» в режиме измерения круговой поляризации, Г(V) и верхняя оценка кростолк-эффекта для параметров Стокса Q и и (Ги)). Как можно видеть, характерные значения для Г(V) варьируются на уровне 2е—4 и не превышают 4е—4, а для Ги) — в диапазоне (2—8)е—4. Величины коэффициентов деполяризации при таких значениях будут практически равны единице, и ими можно пренебречь в большинстве поляризационных исследований. Этот результат иллюстрирует тот факт, что при создании реально работающего прототипа инструмента выбранные фазосдвигаю-щие элементы способны обеспечить инструментальные характеристики, сравнимые с лучшим, на наш взгляд, из существующих поляриметров этого класса [5].
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрен вариант оснащения оптоволоконного спектрографа высокого спектрального разрешения БТА поляризационной оптикой. Предлагаемая схема позволяет проводить последовательные наблюдения всех параметров Стокса (подробнее см., например, [5, 9]). Представленное решение является классическим и в то же время оптимальным как по цене, так и по качеству. Все другие рассмотренные нами схемы являются либо громоздкими (например, основанные на использовании пластины Савара), либо не вписываются в требования универсальности использования конверсионной оптики для обеспечения всех требуемых режимов наблюдений. Последнее обстоятельство заставило нас отказаться от решения, представленного в [5], несмотря на его инновационность, связанную с отсутствием значительных хроматических аберраций на выходе. Фактически, в представленной системе присутствие некомпенсированного хроматизма является единственным недостатком. По
мере реализации проекта планируется его минимизировать, введя в расчет компенсирующие клинья. Отметим, что, даже с учетом обозначенной проблемы, представленная схема является рабочей и может быть использована в спектрополяри-метрических и магнитометрических наблюдениях, проводимых на БТА САО РАН. Более подробно о последних результатах таких исследований см. в [10—14]. Методические принципы, использованные в данной работе (см., например, [15, 16]), являются частью школы Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-50-00043).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. G. G. Valyavin, V. D. Bychkov, M. V. Yushkin, et al., Astrophysical Bulletin 69, 224 (2014).
2. G. G. Valyavin, V. D. Bychkov, M. V. Yushkin, et al., ASP Conf. Ser. 494, 305 (2015).
3. H. Dekker, S. D'Odorico, A. Kaufer, et al., Proc. SPIE, 4008, 534D (2000).
4. V. D. Bychkov, Astrophysical Bulletin 63, 83 (2008).
5. K. G. Strassmeier, A. Hofmann, and M. F. Woche, Astronomische Nachrichten 323, 510 (2002).
6. A.V. Samoylov, V. S. Samoylov, A. P. Vidmachenko, and A. V. Perekhod, JQRST, 88, 319 (2004).
7. У. Шерклифф, Поляризованный свет. Получение и использование (Москва, Мир, 1965).
8. М. А. Окатов, Э. А. Антонов, А. Байгожин и др., Справочник технолога—оптика, под ред. М. А. Окатова, 2-е изд. (Санкт-Петербург, Политехника, 2004).
9. I. D. Naidenov, G. G. Valyavin, S. N. Fabrika, et al., Bull. Spec. Astrophys. Obs. 53, 124 (2002).
10. I. I. Romanyuk, E. A. Semenko, and I. A. Yakunin, ASP Conf. Ser., 494, 15(2015).
11. G. Valyavin, D. Shulyak, G. A. Wade, et al., Nature 515,88(2014).
12. E. A. Semenko, I. I. Romanyuk, D. O. Kudryavtsev, and I. A. Yakunin, ASP Conf. Ser., 494, 51 (2015).
13. I. A. Yakunin, E. A. Semenko, I. I. Romanyuk, and M. E. Sachkov, ASP Conf. Ser., 494, 86(2015).
14. I. I. Romanyuk, Astrophysical Bulletin 70, 191 (2015).
15. А. В. Бахолдин, Г. Э. Романова, Г. И. Цуканова, Теория и методы проектирования оптических систем (Санкт-Петербург, НИУ ИТМО, 2011), Ч. 1.
16. Г. И. Цуканова, Специальные разделы прикладной оптики, под ред. А. А. Шехонина, А. В. Ба-холдина (Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 2008).
278
kykymkhh h ap.
High-Resolution Fibre-Fed Spectrograph for the 6-m Telescope. Polarimetrie Unit
D. E. Kukushkin, D. A. Sazonenko, A. V. Bakholdin, M. V. Yushkin, and V. D. Bychkov
We report the computation of the design of a Polarimetrie unit for the optical scheme of the fiber-fed high-resolution spectrograph for the 6-m Russian telescope. We discuss a variant of its integration into the design of conversion optics at the input of the fiber path if the instrument and estimate the efficiency of the entire pre-fiber optical system. The luminous efficiency of the assembly is equal to 80% and 90 % when operated in the polarimetry and normal spectroscopic modes, respectively. We estimate the lower limit for the distorting instrumental effects of the polarimetric unit.
Keywords: radio continuum: galaxies—gamma-ray burst:general— cosmic background radiation—methods:data analysis
