太阳CO 4.66 µm光谱观测技术与方法研究

The molecular vibrational-rotational spectra of solar CO 4.66 μm form around the temperature minimum. Carrying out observational research on this band is of great importance to the investigations such as radiation transfer theory of solar molecular spectral lines, atmospheric temperature models, and helioseismology. It is very helpful to study energy transportation in the solar atmosphere then to understand the mechanism of coronal heating..But in mid-infrared, 1) radiation strength of the signal rapidly decreases with the wavelength, while the background radiation is significantly enhanced, 2) the spectral resolution of the spectrograph decreases with the wavelength, 3) the detection rate of infrared detectors is low, and 4) the noise is high, which seriously restrict the development of solar physics research in mid-infrared. This project aims at producing high-spectral-resolution vacuum refrigeration experiment system based on echelon grating, to obtain CO 4.66 μm spectral data available for scientific research. We expect to make breakthroughs in the technologies/methods of mid-infrared spectroscopy such as off-axis three-mirror optical-path compression, cold optics and automatic control in vacuum and cryogenic environment, mid-infrared spectral information extraction methods under complex background. It will fill in the blanks of the infrared solar observations in China. This research not only can supply technical basis in infrared to improve the project of 'Chinese giant solar telescope (CGST)', but also is beneficial for manufacturing infrared spectrograph in the field of night astronomy.

CO 4.66μm谱带分子振动转动谱形成于太阳温度极小区附近，针对该谱带开展观测研究，对研究太阳分子谱线的辐射转移理论、大气温度模型以及日震学等具有重要的意义，从而有助于研究太阳大气的能量输运过程，理解日冕加热的物理机制。由于中红外波段存在信号辐射强度急剧下降，而背景辐射显著增强，分光仪器光谱分辨能力也随波长增加而降低，并且探测器探测率低、噪声高等技术难点，严重制约了该波段太阳物理研究的发展。本项目通过试制基于中阶梯光栅的真空制冷高分辨率光谱实验观测系统，以期在离轴三反压缩光路技术、真空和深冷环境下的冷光学及自动控制技术和复杂背景条件下中红外光谱信息提取等中红外光谱观测相关技术和方法上取得突破，获取可用于科学研究的CO 4.66μm谱带观测数据，填补国内在该波段太阳观测研究的空白。本研究不仅可为“中国巨型太阳望远镜”的推进奠定红外技术基础，对夜天文红外光谱分光仪器研制也具有一定的参考意义。

CO 4.66μm波段是太阳中红外光谱中一个具有代表性的分子谱带，对该谱线带的高分辨率观测研究将有助于诊断温度极小区附近的大气特性，有助于理解太阳低层到高层大气的物质和能量传输机制。由于在中红外波段，受技术限制，国内在该波段太阳光谱观测研究尚属空白。为此，本项目的研究目标是通过试制基于中阶梯光栅的高分辨率中红外太阳光谱观测系统，以期在离轴三反压缩光路技术、真空和深冷环境下的冷光学及自动控制技术和复杂背景条件下中红外光谱信息提取等关键技术和方法上取得突破，获取可用于科学研究的CO 4.66μm谱带观测数据，填补国内在该波段太阳观测研究的空白。首先，基于科学观测需求，分析了光谱仪的技术指标，完成了一台工作波段在3-5μm的高分辨中红外光栅光谱仪器的光学设计和加工。光谱仪焦距为1300mm，数值孔径为0.035，视场为20.3′×0.158′，整体尺寸小于700mm。为获得更优的像质，同时达到压缩光路的目的，提出了一种采用李特洛结构与离轴三反消像散技术相结合的方法，离轴三反同时承担了光谱仪中准直和成像的功能。在同轴三反系统的几何光学成像理论的基础上，研究了同轴三反结构、离轴三反结构以及光谱仪结构的求解和设计优化方法。设计结果表明：光谱仪的三面非球面反射镜均达到了8次高次项系数，点列图均方根直径小于5μm，能量集中于一个像元尺寸范围内，成像质量接近衍射极限，成像分辨率和光谱分辨率均满足设计要求。对离轴三反结构的装调方法也进行了研究。其次，为降低红外仪器背景辐射，完成了真空制冷系统的设计和加工，工作温度可达80k，保持时间超过24小时。最后，发展了一套适用于中红外波段高分辨率太阳光谱的全系统定标观测、数据处理方法流程，开发了相应的科学数据处理软件，并得到了成功应用。上述关键技术研究不仅可为我国未来大太阳望远镜发展奠定红外技术基础，对其他天文应用的中红外光谱仪器研制也具有重要参考价值。