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从大型望远镜向单模光纤高效注入：开启超精密天文学时代

DOI：10.1051/0004-6361/201630351 期刊：Astronomy & Astrophysics 出版年份：2017 更新时间：2025-09-22 22:52:39
摘要： 光子技术在光谱仪和干涉仪等天文仪器中具有诸多优势，例如体积小巧且功能多样。但由于其工作在衍射极限条件下，这类设备与大型望远镜直接高效耦合向来是个难题。我们证明通过精确控制望远镜的非理想孔径几何形状和残余波前误差，确实可以实现与单模器件的高效耦合。在昴星团日冕极端自适应光学（SCExAO）仪器中构建了光纤注入系统，将近红外（J-H波段）光耦合至位于极端自适应光学系统和孔径渐晕光学元件下游的单模光纤。实验室中，在1550纳米波长下对衍射极限光束实现了理论最大值86%的耦合效率，该效率与斯特列尔比呈线性相关。在1250-1600纳米范围内，耦合效率波动小于30%。初步的天文观测数据显示，在H波段斯特列尔比为60%时，单模光纤耦合效率约达50%，与预期相符。其中84%时段耦合效率超过40%，41%时段超过50%。根据实验室结果推算：当达到极端自适应光学校正水平（H波段斯特列尔比>90%）时，耦合效率可超过67%（接近当前多模光纤的耦合水平）；标准波前校正水平（H波段斯特列尔比>20%）可实现>18%的耦合效率；而当斯特列尔比<20%时，少端口光子灯笼成为更优选择（但需考虑信噪比和像素可用性）。这些成果为天基单模光纤高效耦合指明了路径，可应用于实现无模噪声径向速度测量仪、超长基线光学/近红外干涉仪，或未来仪器设计中更广泛地应用光子技术。
作者： N. Jovanovic，C. Schwab，O. Guyon，J. Lozi，N. Cvetojevic，F. Martinache，S. Leon-Saval，B. Norris，S. Gross，D. Doughty，T. Currie，N. Takato
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为展示通过光瞳渐晕和波前控制实现大望远镜光效耦合至单模光纤的技术，从而推动光子技术在天文仪器中的应用。

研究成果

通过光瞳渐晕和先进的波前控制，可实现高效耦合至单模光纤，实验室结果显示最高可达理论最大值的86%，实际天文观测结果约为50%。这使得光子技术能够应用于天文学领域以提升仪器性能。

研究不足

该研究受限于非共光路像差、PIAA光学元件的缺陷、望远镜振动以及实现最佳耦合所需的高斯特列尔比。未来改进方向可能包括采用更优的波前传感器和振动抑制技术。

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