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利用法布里-珀罗标准具提高天文高分辨光谱仪的波长定标精度.docx
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利用法布里-珀罗标准具提高天文高分辨光谱仪的波长定标精度.docx
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摘要
用于天文高分辨光谱波长定标的法布里-珀罗标准具(FPE)具有宽波长覆盖与密集透过峰序
列的光谱,有望实现比传统定标源更高的波长定标精度。然而 FPE 透过峰波长是未知的,这
为定标带来了挑战。本研究在不借助额外精密测量设备(如傅里叶变换光谱仪)情况下,使用
天文高分辨光谱仪常规定标源钍氩灯(ThAr)为 FPE 提供波长信息,再利用 FPE 密集的透过
峰序列以及电介质反射膜穿透深度与波长关系的平滑性质,修正波长信息中的误差,得到
FPE 透过峰精确的波长并完成波长定标。在兴隆 2.16 m 望远镜高分辨光纤光谱仪上的定
标测试显示,FPE 的波长定标精度达到 0.053 pm,相比单独使用 ThAr 的波长定标精度
(0.290 pm)有显著的提高。
Abstract
Due to the wide wavelength coverage and dense transmission peak sequence of its
spectrum, the Fabry-Perot etalon (FPE) for wavelength calibration of astronomical high-
resolution spectra is expected to achieve higher calibration accuracy than traditional
calibration sources. However, the unknown wavelengths of FPE transmission peaks pose
a challenge for calibration. In this study, without precision measurement devices (such as
Fourier transform spectrometers), the thorium-argon (ThAr) lamp, a conventional
calibration source equipped on astronomical high-resolution spectrometers, was used to
provide the FPE with wavelengths. Then, the errors in the ThAr wavelengths were
corrected by using the dense transmission peak sequence of the FPE and the smooth
relationship between the penetration depth of the dielectric reflective coating and the
wavelength. Accurate wavelengths of the FPE transmission peaks were thus obtained,
and wavelength calibration was performed. The calibration test on the fiber-fed high-
resolution spectrometer of the Xinglong 2.16-m telescope showed that the wavelength
calibration accuracy of the FPE reached 0.053 pm, which was significantly higher than
that (0.290 pm) in the case of the ThAr being used alone.
1 引言
法布里-珀罗标准具(FPE)是一种多用途的光学器件,在光学滤波
[1-2]
、激光稳频
[3-4]
、精密测量
[5-6]
等领域发挥着重要作用。FPE 通常是一块两面镀有高反射膜的透明平板或是由两块平行
的、内表面镀有高反射膜的平板组成。根据多光束干涉原理,当入射光的频率满足共振条件
时,其透射强度会达到峰值。FPE 的白光透过光谱呈现为频率间隔均匀的洛伦兹线型透过峰
序列。
近年来,为搜寻太阳系外岩石行星、研究精细结构常数的宇宙时空变化,天文学家对高分辨
光谱波长定标精度的要求有了进一步的提高
[7]
。天文高分辨光谱的传统定标源,如钍氩灯
(ThAr)、碘盒等,受制于一些自身的不足(例如,ThAr 谱线分布不均匀,不同谱线强度差异大,
在有限分辨率下存在谱线混叠、老化引起谱线漂移;碘盒吸收线丛的波长覆盖范围窄,对光
谱的吸收会降低信噪比等),已被证明无法满足新要求
[8]
。新一代超高精度光谱定标源激光频
率梳虽然精度极高,但由于其价格昂贵、维护复杂,有条件配置的天文台站较少,它的波长覆
盖也有一定限制
[9]
。FPE 能够产生像激光频率梳那样数量丰富、频率间隔均匀的谱线,波长
覆盖可灵活定制,而且成本较低、维护简单、可靠性高,因此得到了越来越多的关注。应用
于天文高分辨光谱定标的 FPE 一般具备中等的精细度(典型值为 10~50)与宽波长覆盖(典型
值为几百纳米);如果 FPE 自身的光谱稳定,利用大量透过峰对光谱位置的高密度标记,能够
满足天文科学的对定标精度的新要求
[10-13]
。FPE 可以通过被动或主动的方法进行稳定。
Wildi 等
[14]
利用真空-恒温腔对空气间隙 FPE 进行环境控制。Halverson 等
[15]
利用热敏电阻
和热电冷却器对光纤 FPE 进行 0.1 mK 精度的温度控制。Gurevich 等
[16]
将 FPE 的一个透
过峰锁定到 Rb 原子 D
2
跃迁线。这些方法均成功使 FPE 的光谱稳定性到达了一个较高的
水平(每日漂移相对值达到或小于 10
-9
)。
FPE 的共振频率与自身的各种参数(如腔长、材料折射率、光线入射角度等)有关,而要准确
刻画所有这些参数是非常困难的。尤其是考虑到不同波长在 FPE 的电介质反射膜的穿透深
度不同,因此 FPE 的腔长不是一个常数,而是一个波长的函数
[10]
。所以,FPE 与 ThAr 等基于
元素跃迁的定标源不同,FPE 没有一个通用的记录谱线波长的谱线表。使用 FPE 进行波长
定标,或者需要先对透过峰波长进行测量,或者需要与具有完备波长信息的定标源配合。前
者需要利用额外的、比天文光谱仪测量精度更高的精密测量设备(如傅里叶变换光谱仪),成
本较高且过程繁琐。而后者可以利用在天文光谱仪常规配备的传统定标源 ThAr 与 FPE 配
合。ThAr 为 FPE 提供波长信息,而 FPE 密集、频率间隔均匀的透过峰有效覆盖了 ThAr 谱
线分布稀少的区域,利用其内部性质可以修正 ThAr 波长信息中的误差,从而实现比 ThAr 更
高的定标精度。本文按照后一种途径发展了一套 FPE 波长定标的方法,并使用 FPE 在我国
主要的天文高分辨光谱观测仪器——国家天文台兴隆观测基地 2.16 m 望远镜的高分辨率
光纤光谱仪(HRS)
[17]
——进行实际的定标精度测试,以提升 HRS 的定标精度,促进 HRS 在天
文前沿领域的研究,为国内其他天文高分辨光谱仪(如丽江 2.4 m 望远镜高色散光谱仪等),以
及未来国内研制的西班牙 10.4 m 望远镜高分辨光谱仪、12 m 光学/红外望远镜高分辨光谱
仪等下一代仪器提供定标方案的参考。
2 测试系统
本文使用 FPE 在 HRS 进行定标实测,图 1 是 FPE 定标测试系统的示意图,采用该装置实际
测量得到了 FPE 和 ThAr 的二维光谱图。用于测试的 FPE 为固体腔,腔体材料为康宁公司
的 HPFS 7980 熔融石英,镀膜优化波段为 530~660 nm,优化波段内精细度大于 30。FPE
腔长的出厂检测值为(3.374±0.002) mm。FPE 的照明光源为一台高稳定性卤钨灯,为 FPE
提供宽带连续谱的输入,配备 500 nm 高通滤光片和 700 nm 低通滤光片。照明光源由多模
光纤引出,经离轴抛物反射镜(OAP)准直,通过 FPE 后经另一面 OAP 耦合到 FPE 的输出光
纤。配合 FPE 定标的常规定标源 ThAr 同样由多模光纤引出,与 FPE 输出光路合束后耦合
到 HRS 的输入光纤。由于定标测试需要 FPE、ThAr 分别曝光,因此 FPE、ThAr 各自的输
出光路上还分别安装了快门。HRS
[17]
的光谱覆盖范围为 370~920 nm,光谱分辨率为 50000,
输入端为一根芯径 100 μm 的多模光纤。
图 1. 用于定标测试的实验装置图
Fig. 1. Experimental setup for calibration tests
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3 光谱数据与定标原理
3.1 光谱数据
天文高分辨光谱仪利用阶梯光栅进行主色散,以实现光谱的高分辨率与宽波长覆盖。由于阶
梯光栅的不同衍射级次在空间上交叠在一起,因此还需通过交叉色散元件,将不同衍射级次
在垂直主色散的方向上分开。通过相机在探测器上成像之后,形成最终的二维光谱。图 2
是 ThAr 与 FPE 在 HRS 实测的二维光谱,纵轴标示的数字标出了对应的 HRS 衍射级次的
级数。低级数对应于红端,高级数对应于蓝端。从图 2 可以看出,FPE 在其波长覆盖范围内,
谱线数量、分布均匀度和强度均匀度相较 ThAr 都具备明显的优势。
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