光束在多边形光纤传输中的光场特性研究

High-precision radial velocity (RV) technique are so far the main technique for search and characterization of exoplanetary systems, currently, the precision improvement of the RV and the development of the exoplanetology is strongly limited by the insufficient scrambling and the instability of the optical fields in high-precision fiber-fed spectrographs. A new scramblers, increasing the uniformity and the stability of the beam in the way of changing the fiber boundary condition are proposed and analyzed, the spectral transmission and the property of light power distribution in typical polygonal fibers are also expounded, We need to construct the test bench to explore the geometric properties of the new fibers and the corresponding statistical arithmetic. The field is measured through scanning the core of the tested fiber with the different section shape (square, rectangular and octagonal geometry) at the entrance, analyze the role of the fiber section shape in the mode coupling and the light power distribution. It employs the power-flow equation, wave theory and ray-tracing method to establish a mathematical fiber model of the light transmission. The simulation outcome of the model is agreement with the result of the measurement at the different coupling condition and the fiber section shape, so as to provide a theory insight and experiment direction that helps to apply the polygonal fiber in observation, scrambling and the stability improvement of the optical power distribution.

视向速度测量技术是寻找系外行星，探索宇宙形成及演化规律的主要手段，而目前天文光谱仪中光纤扰模作用不明显，出射场稳定性较低，是限制视向速度测量精度提高及天文探索发展的主要因素。本项目提出并探索新的扰模方式，即通过改变光纤截面形状提高光束稳定性，并研究光束在多边形光纤中的传输及光场分布特性。搭建可精确测量光纤光场特性的实验装置，建立精确的数据处理统计算法，通过测量多边形光纤（正方形，矩形，八边形）在不同耦合条件下出射光束光场分布变化，从理论上重点分析光纤截面面形对光束传播过程中的模式耦合及光场分布的影响，同时结合能流方程、光束波动理论及光线追迹理论，建立光束在多边形光纤中传播的数学模型，使光场分布随耦合条件及光纤截面变化的理论分析结果与实验相互验证，为多边形光纤在天文探测中的使用、光纤扰模方式上的创新及光场稳定性的提高提供实验依据及理论基础。

在现代天文观测中，太阳系外宜居带类地行星探测所需的视向速度测量精度为10cm/s量级，但当前仪器的系统和观测误差极大限制了仪器的测量精度。圆形光纤使望远镜与光谱仪分离，同时具有的扰模特性提高了系统的稳定性。尽管如此，圆形光纤在在径向方向上扰模作用较小，因此在光纤出射光束依然随着望远镜导向误差、视宁度等因素引起的耦合误差变化，进而引起谱线点扩散函数改变，降低仪器的探测性能，因此，提高光束传输中的稳定性，是目前实现视向速度测量精度提高的主要任务。. 视向速度测量中光纤扰模作用，就是降低由于入射耦合偏移引起的光纤出射场偏移，使得入射到光谱仪的光束不随探测光的耦合偏移、离焦、天气情况而变化，扰模系数越高，光纤出射场越稳定，谱线越稳定。而任何由于耦合偏差引起的谱线变化都会降低视向速度的测量精度，因此需要增加光纤的扰模系数提高传输系统的稳定性。目前提高光纤扰模系数的主要方式包括透镜法、机械振动法、积分球法，以上方法存在能量损失大、结构不稳定、不能长期使用等不足，难以满足高精度视向速度实现长期稳定探测的基本要求。多边形光纤的制作和使用，为当前提高系统的扰模增益提供了一种新途径。. 基于此，本文在多边形光纤具有较好扰模特性基础上，提出光束传输的分段式光纤连接系统，即将圆形光纤和多边形光纤连接，通过探索不同光纤连接方式及连接多边形光纤的种类上，分析系统的扰模特性。通过搭建光纤扰模测试系统，对分段式光纤连接系统的远场光强变化、近场质心偏移、焦比退化和能量损失进行系统分析计算，阐述系统的扰模增益和稳定性，为视向速度测量系统中，使用分段式连接系统提高仪器的稳定性及视向速度测量精度提高，提供了重要的实验依据及技术支持。