Разработка и оптимизация оптической схемы конверсионной и поляризационной оптики на входе в оптоволоконный тракт спектрографа высокого спектрального разрешения для БТА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка и оптимизация оптической схемы конверсионной и поляризационной оптики на входе в оптоволоконный тракт спектрографа высокого спектрального разрешения для БТА

Постановка задачи

эшелле спектрограф оптический схема

Основная задача заключается в создании и оптимизации оптической схемы, с помощью которой будет реализовываться поляризация и разделение светового потока полученного от объекта наблюдения, с последующим выводом его в оптоволокно, заданной конфигурации. Разрабатываемая система, как часть эшелле-спектрографа, должна давать высокое качество изображения на заданном диапазоне длин волн, быть недорогой и технологичной в изготовлении.

Навесная часть спектрографа

Конструкция навесной части спектрографа позволяет работать в двух основных режимах: спектрополяриметрические наблюдения объектов и спектроскопические наблюдения объектов и фона.

На Рис.1 приведена схема входной, предоптоволоконной части спектрографа. В этой схеме пучок от 6-м телескопа с относительным отверстием F/4 коллимируется за фокальной плоскостью телескопа группой линз 1 и затем преобразуется к относительному отверстию F/30 группой линз 5. Сколлимированный отрезок оптического пути пучка между группами линз 1 и 5 предназначен для введения в него поляриметрической оптики для поляризационных исследований. Поляриметрическая часть состоит из двух поляризационных пластинок (л/2 и л/4) 2 и 3, а также поляризационного расщепителя 4, который делит пучок на обыкновенный и необыкновенный лучи, разнося их в пространстве.

Рис. 1 Схема предоптоволоконной части спектрографа.

В сходящемся после преобразования группой линз 5 пучке будут размещены дополнительные оптические элементы для организации разных режимов работы.

Йодная ячейка 6 обеспечивает наложение эталонного спектра на спектр объекта. Компенсатор атмосферной дисперсии 7 предназначен для наблюдения объектов на больших зенитных расстояниях. Визуальный контроль над торцами оптоволокон на каретке 9 осуществляется подсмотром оптоволоконного входа 8. В качестве этого подсмотра используется быстрая, высокочувствительная камера на пельтье-охлаждении, обеспечивающая скорость считывания кадров с частотой более 100 Гц. Далее лучи проецируются на соответствующие входы световодных каналов, собранные в оптоволоконную сборку на подвижной каретке 9.

Режимы работы спектрографа.

1. Стандартный спектроскопический режим работы. В этом режиме работы в пучок света после прохождения группы линз 1-5 не вводятся служебные элементы 6, 7, 8. Для получения спектра звезды используется один из световодных каналов 9. Другой световодный канал может использоваться для наблюдения фона около звезды или для получения эталонного спектра для калибровки по длинам волн.

2. Режим спектрополяриметрических наблюдений. В данном режиме в параллельный ход лучей после линзовой системы 1 вводятся поляризационные пластинки 2 и 3, и поляризационный расщепитель 4. В качестве поляризационного расщепителя планируется использовать либо призму Волластона, либо пластину Саварра.

Необходимо подобрать оптимальный вариант поляризационного расщепителя 4 и оптимизировать полученную систему, с сохранением заднего отрезка 600 мм. при сохранении как можно более простой композиции системы. Кроме того полученные оптические каналы после поляризатора не должны перекрывать друг друга и накладываться на центральный канал, имея при этом диаметр не больше 1,2 мм. Необходимо также учитывать светопропускание и габариты всей системы.

Рис.2 Исходная линзовая система предоптоволоконной части спектрографа.

Исходя из рис.3 можно сделать вывод о том, что композиция исходной системы не нуждается в дополнительном улучшении и оптимизации.

Подбор композиции поляризационного элемента

Основными критериями для поляризационного компонента являются: достаточное разведение в пространстве обыкновенного и необыкновенного лучей, возможность изготовления поляризатора и технологичность всей полученной системы. В качестве поляризационного компонента рассматривались пластина Саварра и призма Волластона.

Оптическая система с пластиной Саварра

Пластина Саварра - поляризационное устройство состоящее из 2-х шпатовых пластин одинаковой толщины, вырезанных под углом 45є к оптической оси, причем одна пластина повернута относительно другой на 90є. Основными достоинствами пластины Саварра являются: параллельный ход лучей на выходе из пластины и технологичность изготовления. Полученную схему с пластиной Саварра см. на рис. 4. При разработке оптической системы с пластиной Саварра пришлось уйти от предложенной линзовой системы рис.2, так как она не обеспечивала необходимый разнос двух пучков света, и рассчитать новую линзовую систему. Световой диаметр при этом уменьшился с 20 мм в исходной системе до 8 мм в представленной ниже системе.

Анализ оптической схемы с поляризационной пластиной Саварра.

Как видно из рисунка 5, полученная система обладает приемлемым качеством изображения, хотя и обладает сильным хроматизмом, который в данном случае не играет большую роль.

Основные недостатки этой системы - значительная длина поляризатора ( 100 мм.), несоблюдение заднего отрезка в 600 мм., невозможность установки служебной оптики, большие потери света на поверхностях и в поляризаторе. Изготовить пластину Саварра такой толщиной практически невозможно, так как в природе крайне редко встречаются достаточно однородные кристаллы исландского шпата размером 100 мм, а подбор и склейка двух кристаллов исландского шпата с одинаковыми оптическими свойствами является трудоемкой задачей.

При увеличении заднего отрезка системы до 600 мм. габариты всей системы выходят за допустимые. Потери света в одном только поляризаторе составляют около 40%, что является недопустимым для спектрального прибора. В этой системе достаточно сложно организовать стандартный режим работы, так как система разделена на несколько оптических каналов, что усложняет сборку и юстировку прибора.

Оптическая система с призмой Волластона.

Призма Волластона представляет собой два куска исландского шпата, соединенных слоем канадского бальзама так, что их оптические оси перпендикулярны.

Общий угол расхождения лучей ц зависит от угла при вершине клина и и слегка меняется с длиной волны. Этот поляризатор компактен и имеет прямоугольную форму; он успешно используется в тех случаях, когда требуются два ортогонально поляризованных пучка. Угол разведения лучей определяется следующим выражением , где и показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного луча соответственно. Пользуясь этим выражением легко определить угол расхождения лучей.

Призма Волластона была введена в параллельный ход лучей исходной системы рис.2. Изначально габариты призмы составляли 15х15х15 мм. с преломляющим углом в диапазоне от 20є до 45є. После анализа полученных систем стало очевидно что ни одна из систем не удовлетворят заданным критериям компоновки прибора и габаритным характеристикам. Так же эти системы были сложны в юстировке и требовали создания трех оптических каналов, что неприемлемо усложняло схему.

Вследствие анализа данной системы был рассмотрен вариант призмы Волластона с преломляющим углом 1,5є. Угол разведения лучей Данная схема позволила использовать большой задний отрезок для разведения поляризованных пучков на требуемое расстояние 4 мм. Такая компоновка позволила нам использовать одну оптическую схему для работы в разных режимах. Анализ пятен рассеяния каждого из поляризованных пучков для конечного варианта системы (рис. 6) показал, что изначальная оптическая схема не нуждается в значительной корректировке или доработке, это является существенным достоинством данной системы. Так же к достоинствам можно отнести малую толщину поляризатора, которая обеспечивает незначительные потери света, обусловленные поглощением материала поляризатора и возможность беспрепятственной установки всей служебной оптики в сходящийся пучок лучей.

Рис. 6 Пятна рассеяния поляризованных пучков.

При техническом задании - получить диаметр пятна в 1,2 мм, для каждого из поляризационных пучков, диаметр пятна полученной системы составил 1,6 мм, за счет явно выраженного хроматизма системы, что приводит к потере света около 20% для каждого пучка. Пропускание всей системы без учета френелевских потерь на поверхностях для длины волны 400 нм. составляет 90 %.

Вывод

После проведения сравнительного анализа двух оптических систем с разными поляризационными расщепителями была выбрана система с тонкой призмой Волластона, в качестве расщепителя. Несмотря на небольшой угол разведения лучей ц=0,517°, данная схема позволила использовать большой задний отрезок для разведения поляризованных пучков на требуемое расстояние 4 мм. Такая компоновка позволила использовать одну оптическую схему для работы в разных режимах. Анализ пятен рассеяния каждого из поляризованных пучков для конечного варианта системы показал, что изначальная оптическая схема не нуждается в значительной корректировке или доработке, это является существенным достоинством данной системы. Так же к достоинствам можно отнести малую толщину поляризатора, которая обеспечивает незначительные потери света, обусловленные поглощением материала поляризатора и возможность беспрепятственной установки всей служебной оптики в сходящийся пучок лучей. Основным недостатком выбранной системы является хроматизм, который даёт пятно рассеяния диаметром 1,7 мм. Однако хроматизм нейтрализуется при прохождении света через оптоволокно.

Размещено на Allbest.ru