光学综合孔径望远镜中的偏振效应及偏振补偿器的研究

The fringe method is effective to detect the relative Optical Path Difference (OPD) between sub-apertures in Optical Synthesis Aperture Telescope (OSAT). Due to the asymmetry of interference arms, the polarization effects from interference system make the magnificent decrease of the fringe contrast, leading to ineffective of the fringe detection method. In order to solve the problem for the decrease of fringe contrast caused by polarization difference between interference arms, a kind of polarization compensator consisting of a reflection prism and a flat mirror is proposed. Putting the polarization compensator into the interference arms and rotating them around optical axis, the polarization difference between the beams before the beam combiner can be minimized. In this project, the effect of polarization difference on the contrast of interference fringes is quantitatively analyzed by the method of field tracing, and the simulation results are in agreement with the theoretical analysis. It’s very meaningful to carry out this project. Firstly, it can solve the problem for decreasing of interference fringe contrast. After using the polarization compensator, the fringe contrast can be increased from 0.3 to more than 0.9, and the image quality can be improved significantly. Secondly, the compensator can be used in any optical synthesis aperture array with the interference arm. If the interference arm is no longer to depend on symmetry, it would greatly save on the building cost. Last, after using the polarization compensator, it can prolong the observation time, enhance the potential of the instrument in the field of astronomical observation, and fill the blank of polarization interference in OSAT in China.

条纹检测法是光学综合孔径望远镜中检测子孔径间相对光程差的一种有效方法。当干涉臂不对称时，来自干涉系统中的偏振效应将造成条纹对比度的急剧下降，导致依赖条纹的检测方法失效。针对此问题，提出了一种解决思路：将一块反射棱镜和一个平面镜构成的偏振补偿器放置于干涉光路中，通过旋转偏振补偿器，使到达合成镜的光束的偏振差异最小。本课题采用场追迹的方法定量分析了偏振差异对干涉条纹对比度的影响，得到了与理论分析相吻合的仿真结果。开展本课题的意义在于：1、通过偏振补偿器的使用，解决干涉条纹对比度严重下降的问题，使干涉条纹对比度由0.3提高到0.9以上，显著提高成像质量；2、将偏振补偿器推广到任何一个带有干涉臂的光学合成孔径阵列，使干涉臂不再依赖对称性，大大节省建造成本；3、使用偏振补偿器，可以延长观测时间，提升仪器在天文观测方面的潜力，填补国内在光学综合孔径望远镜中偏振干涉的研究空白。

相位失调是影响独立子孔径形式光学综合孔径望远镜高分辨率成像的一个重要因素，条纹检测法是检测子孔径之间相对光程差的一种有效方法，根据干涉条纹的对比度来判断是否达到最小光程差的位置。当多个子孔径的相对光程差被消除后，干涉臂的不一致性引入的偏振差异会进一步造成条纹对比度的下降。所以，干涉条纹的退化既包括标量理论的子孔径间相对光程差，也包括了偏振态差异造成的矢量意义上的相位失调。本项目包含两个研究内容，将标量的干涉条纹对比度作为评价指标，用场追迹的方法分析了不同干涉臂之间偏振差异对干涉条纹对比度的影响，并研制了一款可以减小干涉臂之间偏振差异的偏振补偿装置。重点研究了偏振补偿单元内部光路调整以及放入三孔径干涉光路后光轴对齐的问题。本项目使用测微准直望远镜实现了电动转台机械轴与光轴的一致性，但因轴系误差较大，光斑运动轨迹较大。此外在偏振单元内部光路的装调过程中，设计了一种借助于五角棱镜的K镜装调方法，可以有效解决装调不易操作且需反复迭代的问题。开发的K镜单元可以应用到天文领域的两个方向，一个可以用来消除单口径地平式望远镜中天体场旋转带来的像场旋转问题，另一个可以用来解决光学综合孔径望远镜中不同角度矢量场叠加造成的干涉条纹对比度下降问题，这个装置可以推广到任何一个非对称干涉臂的光学合成阵列中，打破传统光学综合孔径望远镜为每条干涉臂匹配相同光学元件的规则，有效节约建造成本。