天文望远镜无偏消旋镜装调方案设计及验证

周明尧; 侯俊峰; 王东光; 邓元勇

doi:doi:10.3788/CJL202047.0604005

中国激光, 2020, 47 (6): 0604005, 网络出版: 2020-06-03

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Design and Verification of Depolarized Derotator Alignment Scheme in Astronomical Telescope

论文大纲

周明尧 ^1,2侯俊峰 ^1,2,*王东光 ¹邓元勇 ^1,2

作者单位

¹ 中国科学院国家天文台太阳活动重点实验室, 北京 100101

² 中国科学院大学天文与空间科学学院, 北京 100049

测量偏振测量无偏消旋镜装调方案双光路天文望远镜 measurement polarimetry depolarized derotator alignment scheme dual optical path astronomical telescope

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摘要

地平式天文望远镜在跟踪观测过程中,因方位轴与地球自转轴不重合及库徳光路中的折轴反射镜在望远镜跟踪过程中相对转动,会引入物方及像方视场旋转。传统的消旋K镜可以消除视场旋转,但会带来较大的仪器偏振,不利于望远镜实现高精度偏振测量。无偏消旋镜由5块反射镜组成,通过优化设计可以保证在消除像旋的同时减小仪器偏振,但其不规则的结构设计使装调过程面临新的挑战。针对无偏消旋镜提出双光路自准直装调方案,基于MATLAB仿真分析了镜面误差及光轴偏差对装调结果的影响,并对无偏消旋镜进行实验室装调及偏振检测。结果表明:无偏消旋镜经装调后倾斜误差可控制在15 arcsec以内,其仪器偏振明显低于传统K镜。

Abstract

The misalignment between the azimuth axis of telescope and rotation axis of earth induces object-side field rotation, and the relative motion of folding mirrors in the Coude optical path induces image-side field rotation. The misalignment and rotation both occur during the process of the alt-azimuth telescope tracking observation. A K-mirror can compensate for the rotation but is inappropriate in high-precision polarimetry owing to its higher instrumental polarization. By optimizing the design, the depolarized derotator comprising five mirrors can reduce instrumental polarization while eliminating field rotation. However, its irregular structural design leads to a more complex alignment process. Herein, an auto-collimation dual optical path alignment scheme was designed for the depolarized derotator. The influence of mirror position error and optical axis deviation on the alignment process was analyzed using MATLAB simulation. The alignment and polarization detection for the depolarized derotator were conducted in the lab. Results indicated that the alignment error of the depolarized derotator was within 15 arcsec, and its instrumental polarization was significantly lower than that of the K-mirror.

1 引言

地平式天文望远镜在跟踪观测过程中,因方位轴与地球自转轴不重合,以及库徳光路中的折轴反射镜在望远镜跟踪过程中有相对转动,会引入物方及像方视场旋转^[1-4]。常用的视场消旋方法有物理消旋、电子消旋和光学消旋^[5-6]。物理消旋通过电机驱动,使焦面仪器与像场旋转同步转动以消除像旋,具有实时性好的特点,但电机旋转会带来一定的机械振动,对高精密焦面仪器的影响较大(比如高分辨傅里叶成像光谱仪);而且,当望远镜口径较大时,消旋结构的体积较大,结构复杂。电子消旋利用计算机通过一定的算法对图像进行消除像旋的处理,无需复杂的机械或光学结构,但算法处理时间会带来一定的积分延时,不适用于需要长时间曝光的观测仪器。光学消旋通过在光路中加入具有像旋转功能的光学元件或系统,控制其转速为像旋速度的一半即可在焦面上得到稳定图像,实时性好。

目前,可进行光学消旋的器件有道威棱镜、K镜、无偏消旋镜等,其中:道威棱镜受材料影响,覆盖波段有限且有色差;K镜可全波段覆盖,且能量损失小,但仪器偏振较大;无偏消旋镜相比K镜结构相对复杂,但可消除仪器附加的偏振,适合用于天文望远镜的高精度偏振测量系统中,如大口径太阳磁场望远镜等^[7]。由于无偏消旋镜结构设计的特殊性,各平面镜法线所在平面不断变化,其整体系统装调具有一定难度,目前关于其装调方案的设计罕有报道。

本文针对无偏消旋镜的不规则结构提出了基于自准直原理的双光路辅助装调方案^[8-9],通过MATLAB仿真分析了镜面误差及光轴偏差对装调结果的影响,并提出了精密装调的简易方案。在实验室进行原理样机的具体装调以获取相关实验数据,然后利用Mueller矩阵椭偏仪对装调完成的无偏消旋镜进行偏振检测^[10]。经实验验证,本装调方案相较于直接装调法减少了装调过程的盲目性,使装调效率得到了一定提高,且装调后无偏消旋镜的仪器偏振明显小于传统K镜^[11]。本方案可用于指导和实现无偏消旋镜的具体装调,为后续具有消旋需求及消除附加偏振需求的光学系统装调方法提供了相关装调经验及数据支持。

2 无偏消旋镜原理

无偏消旋镜由5块平面反射镜组成^[11],如图1所示,其中:M1、M5由同一块反射镜双面镀膜实现;平面镜M2、M3、M4的法向量位于同一平面P₁,且镜面夹角均为60°。垂直向下传播的入射光经M1后反射到P₁面,通过反射镜M2、M3、M4折转一周,再经M5折转回原光路。为使结构保持一定的对称性,反射镜M2、M3、M4构成等边三角形,入射角均为30°。

图 1. 无偏消旋镜的示意图

Fig. 1. Diagram of depolarized derotator

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2.1 无偏消旋镜消旋原理

假设入射光为[ $\begin{matrix} \begin{matrix} 0 & 0 & 1 \end{matrix} \end{matrix}$ ]^T,其绕x、y、z轴旋转φ角后的旋转矩阵分别为

R_{x} (φ) = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cosφ & - sinφ \\ 0 & sinφ & cosφ \end{matrix}], (1)

R_{y} (φ) = [\begin{matrix} cosφ & 0 & sinφ \\ 0 & 1 & 0 \\ - sinφ & 0 & cosφ \end{matrix}], (2)

R_{z} (φ) = [\begin{matrix} cosφ & - sinφ & 0 \\ sinφ & cosφ & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] 。 (3)

在图1所示的坐标系下,设θ为入射光矢量与M1法向量的夹角,M1~M5各平面镜的法向量可表示为

N_{1} = [\begin{matrix} 0 \\ - sinθ \\ - cosθ \end{matrix}] = - N_{5}, (4)

N_{2} = R_{x} (\frac{π}{2} - 2 θ) [\begin{matrix} \sin \frac{π}{6} \\ \cos \frac{π}{6} \\ 0 \end{matrix}], (5)

N_{3} = R_{x} (\frac{π}{2} - 2 θ) [\begin{matrix} - 1 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}], (6)

N_{4} = R_{x} (\frac{π}{2} - 2 θ) [\begin{matrix} \sin \frac{π}{6} \\ - \cos \frac{π}{6} \\ 0 \end{matrix}] 。 (7)

根据反射定理矢量形式,有^[12]

\begin{matrix} A' = A - 2 (A \cdot N) N, (8) \end{matrix}

则变换矩阵T为

\begin{matrix} T = [\begin{matrix} 1 - 2 N_{x}^{2} & - 2 N_{x} N_{y} & - 2 N_{x} N_{z} \\ - 2 N_{x} N_{y} & 1 - 2 N_{y}^{2} & - 2 N_{y} N_{z} \\ - 2 N_{x} N_{z} & - 2 N_{y} N_{z} & 1 - 2 N_{z}^{2} \end{matrix}], (9) \end{matrix}

式中:N为任意镜面的法向量 $\begin{matrix} {[\begin{matrix} N_{x} & N_{y} & N_{z} \end{matrix}]}^{T} \end{matrix}$ ,代入各镜面法向量,即可求出各镜面变换矩阵T₁、T₂、T₃、T₄、T₅。则当入射光矢量绕z轴旋转σ角度时,无偏消旋镜绕z轴同方向旋转σ/2角,出射光矢量为

\begin{matrix} A' = R_{z} (σ / 2) T_{5} T_{4} T_{3} T_{2} T_{1} \times R_{z} (- σ / 2) R_{z} (σ) A = {[\begin{matrix} 0 & 0 & 1 \end{matrix}]}^{T} 。 (10) \end{matrix}

出射光矢量与入射光矢量相同,即无偏消旋镜可以实现消除像旋的效果。

2.2 无偏消旋镜消偏原理

通常情况下,一束任意的部分偏振光可由Stokes矢量描述。假设入射光的Stokes矢量为S_in= $\begin{matrix} {[\begin{matrix} I & Q & U & V \end{matrix}]}^{T} \end{matrix}$ ,则该入射光经过任意平面反射镜后的出射光偏振态可表示为

\begin{matrix} S_{o} = R (- ϕ) M_{i} R (- ϕ) S_{in}, (11) \end{matrix}

式中:ϕ为入射光偏振面与平面镜入射面的夹角;R(-ϕ)表示夹角为ϕ时的旋转矩阵;M_i为反射镜的本征Mueller矩阵(ϕ=0),i=1,2,3,4,5。R(-ϕ)和M_i分别为

\begin{matrix} R (ϕ) = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \cos 2 ϕ & - \sin 2 ϕ & 0 \\ 0 & \sin 2 ϕ & \cos 2 ϕ & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}], (12) \end{matrix}

M_{i} = [\begin{matrix} 1 & \frac{X^{2} - 1}{X^{2} + 1} & 0 & 0 \\ \frac{X^{2} - 1}{X^{2} + 1} & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \frac{2 X}{X^{2} + 1} cosδ & \frac{2 X}{X^{2} + 1} sinδ \\ 0 & 0 & - \frac{2 X}{X^{2} + 1} sinδ & \frac{2 X}{X^{2} + 1} cosδ \end{matrix}] 。 (13)

式中:δ为s、p分量的相位差;X为s、p分量反射率绝对值之比。设n为光学材料的折射率,δ、X的计算公式为^[13]

\begin{matrix} X = |r_{s}| / |r_{p}|, (14) \end{matrix}

δ = \arctan [Im (r_{s}) / Re (r_{s})] - \arctan [Im (r_{p}) / Re (r_{p})], (15)

其中,

\begin{matrix} r_{s} = (cosθ - \sqrt[]{n^{2} - si n^{2} θ}) / (cosθ + \sqrt[]{n^{2} - si n^{2} θ}), (16) \end{matrix}

r_{p} = (n^{2} cosθ - \sqrt[]{n^{2} - si n^{2} θ}) / (n^{2} cosθ + \sqrt[]{n^{2} - si n^{2} θ}) 。 (17)

则入射光经过无偏消旋镜后的出射光Stokes矢量可表示为

\begin{matrix} S_{o} = R (- ϕ_{5}) M_{5} R (- ϕ_{5}) R (- ϕ_{4}) M_{4} R (- ϕ_{4}) \cdot R (- ϕ_{3}) M_{3} R (- ϕ_{3}) R (- ϕ_{2}) M_{2} R (- ϕ_{2}) \cdot R (- ϕ_{1}) M_{1} R (- ϕ_{1}) S_{in} = M_{all} S_{in} 。 (18) \end{matrix}

假设M1的入射面与入射光偏振面重合,易知ϕ₁=ϕ₅=0和ϕ₂=ϕ₃=ϕ₄= $\begin{matrix} \frac{π}{2} \end{matrix}$ ,则无偏消旋镜总的Mueller矩阵M_all为

\begin{matrix} M_{all} = M_{5} R (- \frac{π}{2}) M_{4} M_{3} M_{2} R (- \frac{π}{2}) M_{1} 。 (19) \end{matrix}

假设反射镜的膜系为铝膜,以入射光波长为0.525 μm为例,折射率n=0.91-6.34i。通过计算可知,当入射角θ为36.3°时,M_all变为单位矩阵,此时由(18)式可知出射光和入射光的Stokes矢量相同,即无偏消旋镜可以实现消除仪器偏振的效果。值得注意的是,该入射角适用于整个可见光至中远红外范围^[11]。

3 无偏消旋镜装调方案

3.1 无偏消旋镜装调光路设计

由于无偏消旋镜的结构相对不规则,如果完全凭借经验依据像面轨迹盲目调节无偏消旋镜,则整个装调过程效率低下,因此,本文设计了双光路自准直调节方案用于无偏消旋镜的装调。该装调方案的光路原理图如图2所示。双光路自准直的核心是:首先分别调节经过偏振分束棱镜(PBS)分束的透射、反射两光路的光轴与电机旋转轴重合;然后调节无偏消旋镜使两路光在其各镜面上均能重合,从而确定各镜面的基础位置。

根据图2所示,以透射光路为例,调节光路的光轴与电机旋转轴重合的过程分为以下三个步骤^[14]:

图 2. 无偏消旋镜的装调方案光路图

Fig. 2. Optical path diagram of depolarized derotator alignment scheme

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1)寻找电机旋转轴。在电机上安装具有二维调节功能的参考平面镜(RM),基于透射光路laser→FM1→PBS→FM2→BS1→RM→BS1→FM3→lens→detector,探测器实时记录电机旋转过程中光斑的运动轨迹,调节RM,使电机转动一周时RM反射光斑在探测器上所画圆的直径最小,从而实现RM法线与电机旋转轴平行。此时,RM法线即为电机旋转轴。

2) 光轴与电机旋转轴的平行调节。利用透射光路laser→FM1→PBS→FM2→BS1→CC1(或RM)→BS1→FM3→lens→detector进行调节,其中角锥棱镜1(CC1)的回射光为光轴参考位置^[14-15]。调节折轴反射镜FM2使CC1的回射光与RM反射光在探测器上的间距最小,此时光轴与RM法线平行,从而间接实现了系统光轴与电机旋转轴平行。

3) 光轴与电机旋转轴的同心调节。移除RM,在电机上安装探测器,基于透射光路laser→FM1→PBS→FM2→BS1→detector,调节激光器的二维位移平台,使电机旋转一周时光斑轨迹在探测器上所画圆的直径最小,从而实现了光轴与电机旋转轴同心。

反射光路光轴调节方法基本相同:调节RM(反向放置)使其法线与电机旋转轴平行;调节FM5使反射光路光轴与电机旋转轴平行。唯一不同之处在于,在光轴与电机旋转轴的同心调节过程中,由于激光器位置在透射光路调整过程中已经被固定,因此增加了平行平板(PP)。用三维调节PP时产生的平移量替换激光器的平移,就可实现同心调节。

当透射和反射光路光轴均与电机旋转轴重合后,将无偏消旋镜安装到电机上,粗调无偏消旋镜使透射光和反射光在各镜面上重合,此时,无偏消旋镜的基础位置就可基本确定。

3.2 无偏消旋镜精调仿真分析

上述方案可以快速确定无偏消旋镜的基础位置,但受限于光斑大小、人眼分辨能力、距离等客观条件,装调精度有限,因此需选择透射或者反射光路进行下一步精细调节。但无偏消旋镜一共有12个转动自由度,如何减少自由参数以有效地对无偏消旋镜进行装调是精调过程必须考虑的关键问题。因此,本文通过MATLAB仿真分析探索装调规律,以指导实验室装调。

侯俊峰等^[11]无偏消旋镜的设计表明,无偏消旋镜受M1(同M5)的影响较小。因此,精调过程中不再调节M1(M5),即误差来源项变为M2、M3、M4以及系统光轴。在仿真分析中,选用与图1相同的坐标系,z轴为装调光路的光轴,即入射光。假设M2、M3、M4绕x、y轴的旋转角度误差分别为α₂和β₂、α₃和β₃、α₄和β₄,其各自的法向量由(6)~(7)式变为(20)~(22)式。

\begin{matrix} N_{c 2} = R_{x} (\frac{π}{2} - 2 θ) \times R_{y} (β_{2}) R_{x} (α_{2}) R_{x} (2 θ - \frac{π}{2}) [\begin{matrix} \sin \frac{π}{6} \\ \cos \frac{π}{6} \\ 0 \end{matrix}], (20) \end{matrix}

N_{c 3} = R_{x} (\frac{π}{2} - 2 θ) \times R_{y} (β_{3}) R_{x} (α_{3}) R_{x} (2 θ - \frac{π}{2}) [\begin{matrix} - 1 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}], (21)

N_{c 4} = R_{x} (\frac{π}{2} - 2 θ) R_{y} (β_{4}) R_{x} (α_{4}) \times R_{x} (2 θ - \frac{π}{2}) [\begin{matrix} \sin \frac{π}{6} \\ - \cos \frac{π}{6} \\ 0 \end{matrix}] 。 (22)

假设入射光在xoz平面内绕y轴旋转的角度为γ,可表述为

\begin{matrix} A_{c} = [\begin{matrix} sinγ & 0 & cosγ \end{matrix}] 。 (23) \end{matrix}

通过法向量N_c2、N_c3、N_c4计算得到的变换矩阵变为T_c2、T_c3、T_c4,则出射光矢量变为

\begin{matrix} A'_{c} = R_{z} (σ / 2) T_{5} T_{c 4} T_{c 3} T_{c 2} T_{1} R_{z} (- σ / 2) R_{z} (σ) A_{c} 。 (24) \end{matrix}

由(20)~(22)式及(24)式分析可知,M2、M4的调节效果具有一致性,选择二者之一进行调节即可。因此,仿真分析中将只考虑M3、M4误差(α₃和β₃、α₄和β₄)的影响。针对M3、M4绕x、y轴旋转及光轴绕y轴旋转对出射光矢量A'_c的影响,利用MATLAB进行仿真,结果如图3~6所示。

图3给出了在光轴绕y轴旋转不同角度γ的情况下,探测光斑随电机旋转一周的运动轨迹。图3(a)为M3、M4无旋转误差情况下的仿真结果,即α₃=α₄=β₃=β₄=0,可知:当M3、M4以及光轴均不存在旋转误差时,探测光斑不随电机转动;当M3、M4无误差但光轴存在旋转误差时,探测光斑运动轨迹为两个直径相同的同心圆,同心圆半径为光轴绕y轴的旋转误差γ。图3(b)、(c)分别为M4无误差M3旋转误差为10 arcsec、M3无误差M4旋转误差为10 arcsec情况下的仿真结果,可知:当M3或M4存在旋转误差时,探测光斑的运动轨迹为两个不同大小的圆,而且随着光轴误差γ不断减小,两个圆的大小差异愈加显著。

光轴绕y轴旋转情况下的探测光斑轨迹。(a)α3=α4=β3=β4=0;(b) α3=β3=10 arcsec,α4=β4=0; (c) α3=β3=0,α4=β4=10 arcsec

图 3. 光轴绕y轴旋转情况下的探测光斑轨迹。(a)α₃=α₄=β₃=β₄=0;(b) α₃=β₃=10 arcsec,α₄=β₄=0; (c) α₃=β₃=0,α₄=β₄=10 arcsec

Fig. 3. Light pot trajectory with the rotation of optical axis around y-axis. (a) α₃=α₄=β₃=β₄=0; (b) α₃=β₃=10 arcsec, α₄=β₄=0; (c) α₃=β₃=0, α₄=β₄=10 arcsec

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图4给出了光轴误差γ为10 arcsec、M4无误差情况下,M3绕x轴和y轴旋转不同的角度误差(1 arcsec、5 arcsec、10 arcsec)时,探测光斑随电机旋转一周的运动轨迹。其中,图4(a)、(b)分别为M3绕x轴、y轴旋转的仿真结果。可以发现:M3绕x轴旋转时,像面轨迹基本无明显变化;M3绕y轴旋转时,像面轨迹显著变化,而且旋转误差越大,两个圆的差异越大。

图 4. M3绕x、y轴旋转情况下的探测光斑轨迹。(a)绕x轴旋转;(b)绕y轴旋转

Fig. 4. Light pot trajectory with the rotation of M3 around x-axis and y-axis. (a) Rotation around x-axis; (b) rotation around y-axis

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图5为光轴误差γ为10 arcsec、M3无误差情况下,M4绕x、y轴旋转不同的角度误差时,探测光斑随电机旋转一周的运动轨迹。图5(a)、(b)分别为M4绕x轴、y轴旋转的仿真结果。M4绕x轴和y轴旋转的误差引起的运动轨迹相近。此外,同M3绕y轴旋转时的情况类似,M4绕x、y轴旋转时,像面轨迹显著变化,而且旋转误差越大,两个圆的差异越大。图4、5表明,M3绕y轴旋转的误差可以通过调节M4绕x轴或y轴旋转一定角度进行补偿,即β₃和α₄、β₄相关。图6给出了两者的相关情况,可以发现,当M3存在旋转误差β₃时,可以通过调节M4绕y轴旋转2β₃实现完全补偿。

图 5. M4绕x、y轴旋转情况下的探测光斑轨迹。(a)绕x轴旋转;(b)绕y轴旋转

Fig. 5. Light pot trajectory with the rotation of M4 around x-axis and y-axis. (a) Rotation around x-axis; (b) rotation around y-axis

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图 6. M3、M4绕y轴旋转的补偿效果

Fig. 6. Compensation effect when M3 and M4 rotate around y-axis

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综合图3~6可获得的精密装调方案如下:

1) 无偏消旋镜可以通过仅调节M4来实现精密装调,装调自由度显著减少;

2) 在实际装调过程中,可以首先通过调节FM2或FM5来调节光轴偏角,使光斑的运动轨迹趋向于所画圆的直径变小、两圆周期差异变大;然后再通过调节M4使运动轨迹(两圆)的周期差异逐渐变小。反复进行上述过程,使运动轨迹圆的直径最小,且两圆最趋近于两个相同的周期,即可实现无偏消旋镜的精密装调。

4 实验验证

4.1 无偏消旋镜的实验室装调

图7为根据图2的装调设计方案在实验室搭建的无偏消旋镜装调系统的光路,无偏消旋镜的原理样机如图8所示。控制消旋镜旋转的电动旋转台是系统中的关键部件,其轴向偏摆对消旋镜装调精度有较大影响。经过对比测试后,选择横河电机(中国)有限公司的DM1B-045G电机作为实验用电动转台。

图 7. 装调系统实验室光路图

Fig. 7. Optical path diagram of alignment system in lab

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图 8. 无偏消旋镜的原理样机

Fig. 8. Principle prototype of depolarized derotator

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装调结果如下:

1) 首先,在透射、反射光路下分别进行参考平面镜法线与电机旋转轴平行、光轴与电机旋转轴平行、光轴与电机旋转轴同心三个过程的调节,调试结果如图9~11所示。计算结果表明:参考平面镜法线与电机旋转轴的夹角分别约为9 arcsec和8 arcsec;光轴与电机旋转轴的夹角分别约为7 arcsec和11 arcsec;光轴与电机旋转轴的离心分别约为23.6 μm和18.2 μm。

图 9. 参考平面镜法线与电机旋转轴的平行调节。(a)透射光路;(b)反射光路

Fig. 9. Parallel adjustment of normal of reference mirror and motor rotation axis. (a) Transmitted optical path; (b) reflected optical path

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图 10. 光轴与电机旋转轴的平行调节。(a)透射光路;(b)反射光路

Fig. 10. Parallel adjustment of optical axis and motor rotation axis. (a) Transmitted optical path; (b) reflected optical path

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图 11. 光轴与电机旋转轴的同心调节。(a)透射光路;(b)反射光路

Fig. 11. Concentric adjustment of optical axis and motor rotation axis.(a) Transmitted optical path; (b) reflected optical path

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2) 其次,通过调节M2、M3、M4,使两光路光斑在5块平面镜上基本重合,完成无偏消旋镜基础位置的确定。

3) 最后,根据仿真结果指导精密装调,反复调节无偏消旋镜中的M4镜和系统光轴,装调结果如图12所示,计算得到最终无偏消旋镜的倾斜误差约为15 arcsec。

图 12. 无偏消旋镜装调结果

Fig. 12. Adjustment result of depolarized derotator

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4.2 偏振测试

利用Mueller矩阵椭偏仪对装调完成的消旋镜进行偏振性能测试^[10],测试装置如图13所示。测试结果如图14所示,横坐标为波长(nm),纵坐标为Mueller矩阵的各个矩阵元。结果表明,在测试光谱范围(500~600 nm)内,无偏消旋镜整体的附加偏振基本小于5%,而传统K镜在525 nm波长下的偏振本底和偏振串扰的理论值分别为13%和83%^[11],无偏消旋镜的仪器偏振明显小于K镜。测试结果中的矩阵元M₄₂误差较大,可能的原因有反射镜的膜系作用、系统装调带来的偏差等,这是下一步待考虑解决的问题之一。总体上,经过系统装调的无偏消旋镜的附加仪器偏振明显小于传统K镜。

图 13. 无偏消旋镜的偏振测试图

Fig. 13. Polarization test diagram of depolarized derotator

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图 14. 无偏消旋镜的Mueller矩阵

Fig. 14. Mueller matrix of depolarized derotator

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5 结论

本文针对无偏消旋镜的结构和装调目标,提出了双光路自准直装调方案,通过MATLAB仿真分析了镜面误差及光轴偏差对装调结果的影响,并在实验室完成了无偏消旋镜原理样机的装调及消除偏振性能验证。实验测得的装调精度约为15 arcsec,消除偏振性能测试的结果为:无偏消旋镜附加的仪器偏振基本小于5%。该实验证明,双光路辅助装调方法可减小直接装调方法的盲目性,根据理论指导可提高装调过程的效率及可重复性,实现无偏消旋镜的装调目标。该方案为与无偏消旋镜结构类似的光学系统提供了一定的装调参考经验,并为消旋镜的误差分析提供了理论指导。由于实验中电动旋转台自身性能和光源稳定性等的影响,装调精度仍有待进一步提高,未来将继续优化实验设备及实验流程,完善装调方案细节,降低系统误差,进一步提高装调精度。

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1 引言

2 无偏消旋镜原理

图 1. 无偏消旋镜的示意图

Fig. 1. Diagram of depolarized derotator

2.1 无偏消旋镜消旋原理

2.2 无偏消旋镜消偏原理

3 无偏消旋镜装调方案

3.1 无偏消旋镜装调光路设计

图 2. 无偏消旋镜的装调方案光路图

Fig. 2. Optical path diagram of depolarized derotator alignment scheme

3.2 无偏消旋镜精调仿真分析

图 3. 光轴绕y轴旋转情况下的探测光斑轨迹。(a)α3=α4=β3=β4=0;(b) α3=β3=10 arcsec,α4=β4=0; (c) α3=β3=0,α4=β4=10 arcsec

Fig. 3. Light pot trajectory with the rotation of optical axis around y-axis. (a) α3=α4=β3=β4=0; (b) α3=β3=10 arcsec, α4=β4=0; (c) α3=β3=0, α4=β4=10 arcsec

图 4. M3绕x、y轴旋转情况下的探测光斑轨迹。(a)绕x轴旋转;(b)绕y轴旋转

Fig. 4. Light pot trajectory with the rotation of M3 around x-axis and y-axis. (a) Rotation around x-axis; (b) rotation around y-axis

图 5. M4绕x、y轴旋转情况下的探测光斑轨迹。(a)绕x轴旋转;(b)绕y轴旋转

Fig. 5. Light pot trajectory with the rotation of M4 around x-axis and y-axis. (a) Rotation around x-axis; (b) rotation around y-axis

图 6. M3、M4绕y轴旋转的补偿效果

Fig. 6. Compensation effect when M3 and M4 rotate around y-axis

4 实验验证

4.1 无偏消旋镜的实验室装调

图 7. 装调系统实验室光路图

Fig. 7. Optical path diagram of alignment system in lab

图 8. 无偏消旋镜的原理样机

Fig. 8. Principle prototype of depolarized derotator

图 9. 参考平面镜法线与电机旋转轴的平行调节。(a)透射光路;(b)反射光路

Fig. 9. Parallel adjustment of normal of reference mirror and motor rotation axis. (a) Transmitted optical path; (b) reflected optical path

图 10. 光轴与电机旋转轴的平行调节。(a)透射光路;(b)反射光路

Fig. 10. Parallel adjustment of optical axis and motor rotation axis. (a) Transmitted optical path; (b) reflected optical path

图 11. 光轴与电机旋转轴的同心调节。(a)透射光路;(b)反射光路

Fig. 11. Concentric adjustment of optical axis and motor rotation axis.(a) Transmitted optical path; (b) reflected optical path

图 12. 无偏消旋镜装调结果

Fig. 12. Adjustment result of depolarized derotator

4.2 偏振测试

图 13. 无偏消旋镜的偏振测试图

Fig. 13. Polarization test diagram of depolarized derotator

图 14. 无偏消旋镜的Mueller矩阵

Fig. 14. Mueller matrix of depolarized derotator

5 结论

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图 3. 光轴绕y轴旋转情况下的探测光斑轨迹。(a)α₃=α₄=β₃=β₄=0;(b) α₃=β₃=10 arcsec,α₄=β₄=0; (c) α₃=β₃=0,α₄=β₄=10 arcsec

Fig. 3. Light pot trajectory with the rotation of optical axis around y-axis. (a) α₃=α₄=β₃=β₄=0; (b) α₃=β₃=10 arcsec, α₄=β₄=0; (c) α₃=β₃=0, α₄=β₄=10 arcsec