离面工作条件下光谱仪多光栅槽型优化设计

在大规模多波段成像和无缝光谱巡天中,无缝光谱巡天极限星等在一定程度上受无缝光谱效率和无缝光谱光栅衍射效率制约,针对无缝光谱仪中布置在焦面附近的光栅开展衍射效率优化设计研究.在光栅衍射效率的计算中采用严格耦合波分析方法,并在优化算法中综合采用模式搜索法和差分进化算法相结合的方法,得到了衍射效率高同时满足工程化要求的最优化槽型.模式搜索法能快速地收敛到局部最优值,差分进化算法具有全局择优的特点,两者结合提升了运算效率和结果的可靠性.针对无缝光谱仪中工作在不同波段、不同入射角和不同离面角的多块光栅优化衍射效率.优化结果表明,通过合理控制槽型,所有光栅在闪耀波长处的理论平均衍射效率均可达到0.83.

PSSN在TMT宽视场光谱仪中的应用研究

光学系统像质评价是光学设计的核心,通过对常用像质评价方法与在30 m望远镜(Thirty Meter Telescope,TMT)的像质评价中提出的归一化点源灵敏度函数(Normalized Point Source Sensitivity,PSSN)的分析比较,对PSSN在TMT宽视场光谱仪(Wide Field Optical Spectrometer,WFOS)中的应用进行了研究.包括对大气视宁度的简化模拟、TMT中M3的移动对系统PSSN的影响、WFOS中准直镜的移动对系统PSSN的影响、在不同大气湍流的条件下PSSN与天顶角的关系以及PSSN与波像差的均方根值(root mean square of wavefront error,RMS WFE)μ之间的关系.结果表明,PSSN对视宁度受限下的TMT的像质评价是有效的.

空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化

针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。

光谱巡天科学级紫外光栅的研制

不同于国际上其他空间项目采用光栅切换的光谱获取方式,中国空间巡天望远镜采用近焦面拼接光栅的方式获取大视场、宽波段无缝光谱,波长覆盖范围为250~1000nm,光谱分辨率R≥200。国内紫外透射衍射光栅的天文应用尚在起步阶段,制作难度高,且不能从国外获得。经过多年努力,光栅性能在近期获得了较大提升。本文针对紫外光栅的科学应用性能和使用条件,分析了衍射光栅制作参数的优化,给出了衍射效率随入射角、入射光偏振态以及光栅槽形结构参数的变化规律。相关数据对在轨流量定标具有借鉴价值。通过选用不同的光栅结构参数对衍射效率特性进行分析,发现了紫外光栅峰值波长与顶角投影在每个周期上的比值之间的近似线性表达关系。本文讨论了满足科学需求的参数许可域,并将其用于控制光栅制作参数。多次试验后,光栅槽形结构参数和形状得到了精确控制,获得了性能优异的衍射光栅。制作的光栅线密度为333line/mm,闪耀角为12.51°,峰值效率波长控制在315nm,紫外波段实测峰值衍射效率为72.3%,平均效率为65.1%。该光栅的槽形、波前质量等均控制在较高水平,衍射波前质量均方根(RMS)达到0.06λ,峰谷值(PV值)达到了0.33λ。采用该光栅可获得良好的成像质量。