天文光谱和高分辨成像技术研究室

部分项目介绍

1)LAMOST 低分辨率多目标光纤光谱仪
 ( LAMOST low resolution multi-object fiber-fed spectrographs)  
 
 
2) 山大一米望远镜高分辨率阶梯光栅光纤光谱仪
 (Weihai fiber-fed high resolution echelle spectrograph )
 
 
3) 兴隆2.16米望远镜高分辨率阶梯光栅光谱仪
   (High resolution spectrograph for 2.16m telescope)
  

  4) 南、北极磁子午面极光分光光谱仪

  

   5) 空间载荷地面检测设备
       
  
  6) 系外行星探测
 LAMOST低分辨率多目标光纤光谱仪
由中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所的天文光谱和高分辨成像技术研究室主要负责研制的 LAMOST望远镜低分辨率光谱仪是一种采用新型体位相全息光栅的多目标光纤光谱仪。
LAMOST的16台光谱仪分别可以接收由4000根光纤从望远镜焦面传来的天体辐射,获取大样本天体光谱信息。光谱仪光学系统采用双通道全施密特设计,准直光束口径200mm,每台光谱仪的红、蓝区通道分别配置一块杜瓦冷却的按工作波段优化的4Kx4KCCD。光谱仪波长范围覆盖370nm~900nm,光谱分辨率1000~10000。研制完成后的16台光谱仪安装于国家天文台兴隆观测站LAMOST焦面楼光谱房内。
 国内第一台多目标光纤光谱仪样机               光谱仪样机国际评估(南京)
 
 
2008年16台光谱仪完成全部装调和测试,右图是装调后的光谱仪群。随后每台光谱仪增加单独的罩壳,用于防尘和改善温度稳定性。2010年夏季,光谱仪进行了系统的优化,大幅降低了光学系统的杂散光水平。  
 

                         光谱仪兴隆安装现场

 
 低分辨率光谱仪中体位相全息光栅的应用提高了光学系统的通光效率,2008年对光学系统的效率进行了系统的测试,左图是光谱仪在不同波长(单位: nm)处的通光效率百分比的实测结果,测试的结果不包含光纤透过率和CCD量子效率。      

                                                                                                                                           不同波长处光谱仪通光效率百分比图。。。。

 
 
 在2009年冬天的科学试观测中发现了一批新的类星体、贫金属恒星的候选体,在仙女星系外围中新发现的星系状星云等一些新的天体,在这里对这些观测结果我们不做具体的描述,仅给出一部分观测的晨昏蒙阴的天光光谱和天体光谱。右图给出了一根光纤的晨昏蒙阴天光光谱。
 
 
                         晨昏蒙阴的一维天光光谱 
 
 LAMOST以其中国原创的新概念和新方法,极具创新的技术和工艺,代表了我国大型光学精密仪器的最高水平,是我国科技领域自主创新的典范。她将使人类观测天体光谱的数目提高一个数量级(至千万量级),使我国在该领域处于国际领先地位。将对宇宙起源、星系形成与演化、银河系结构、恒星形成和演化等做出重大贡献,低分辨光谱仪也要充分发挥她的作用,为祖国的天文事业做出她应有的贡献。
在分辨率为2000模式下,部分新发现行星状星云的观测结
山东大学威海天文台中阶梯光栅高分辨率光纤光谱仪
 
 山大威海分校玛珈山天文台拥有一台德国制造一米望远镜,并配备有CCD测星系统,用于超新星巡天、小行星搜索、系外行星搜索、太阳黑子记录等科研工作。为拓展其天文观测能力,中科院南京天文光学技术研究所天文光谱和高分辨成像技术研究室为该天文台配置了这台高分辨率中阶梯光栅视向速度光谱仪。该仪器可实现恒星视向速度测量和高分辨率、高信噪比的星际参数和丰度测量。一小时曝光观测星等预计可达视星等8等;多夜观测,通过数据累加可实现9等星的观测。

光谱仪光学系统采用白瞳设计,光束口径92.5mm。仪器设有良好的恒温、隔震系统,由光纤引导连接到望远镜的卡焦接口,并配备有平场定标,波长定标及碘蒸汽盒定标装置和独立的导星系统。光谱仪一次曝光可覆盖波长范围为375nm~1000nm,光谱分辨率为40000~60000。该仪器由三个部分构成:

望远镜卡焦接口单元 该单元可以实现CCD 相机和光谱仪工作模式之间的切换,光谱仪的定标系统、导星和数据采集系统也安装或连接在此接口单元上,光谱定标和平场定标灯因重量和热影响的原因并不直接安装在接口单元上,而是通过光纤导入卡焦接口单元。光谱仪光学系统不改变CCD测星系统工作时的光路,通过内置的切换镜在CCD测星系统和光谱拍摄两种工作模式下转换。

光纤接口与中继模块 该模块采用微光学元件组实现望远镜和光谱仪的高效率的连接。

光谱仪本体 安装于气浮光学平台上,并置于有空调系统的光谱房中。光谱仪和外界热隔离并可进行温度控制,具有高度的稳定性,以适应光谱仪作高精度、长时间的视向速度测量工作的需要

  
     光谱仪本体              光谱像面覆盖       CCD量子效率
 

                                            

      

 

 观测的恒星光谱图           光谱仪观测得到的恒星大气吸收线 

 在国内,这台由中科院国家天文台南京天文光学技术研究所为山东大学威海分校研制的国内第一台中阶梯光栅高分辨率光谱仪在2011年1月正式通过国家验收,并且开始了科学观测,她弥补了国内的这方面领域的空白,在相对比较国际上同类型的天文光纤光谱仪时,该仪器性能已接近国际先进水平,通过对这台高分辨率天文光谱仪的应用观测(其中还有望远镜的限制和大气视宁度的影响)观测所达到的效果非常理想。这将是中国天文光纤光谱仪历史上的一座里程碑。

2.16米望远镜高分辨率光纤光谱仪

兴隆基地位于燕山主峰南麓,长城北侧,海拔960米,隶属于国家天文台光学开放实验室,是国家天文台恒星与星系光学天文观测基地,基地设有一台2.16米光学望远镜, 这里天文宁静度好,大气透明度好,每年有240-260光谱观测夜, 100-120测光观测夜。
中科院南京天文光学技术研究所天文光谱和高分辨成像技术研究室为兴隆观测中心2.16米望远镜配置了这台仪器,该仪器将放置在了望远镜卡焦位置,可实现恒星视向速度测量和高分辨率、高信噪比的星际参数和丰度测量。该光谱仪采用白瞳孔径设计,准直口径为145mm,两种光纤可供切换,每种含两根相同光纤。采用2.4”光纤时,无狭缝分辨率32000,有狭缝分辨率32000~115000.采用1.6”光纤时,无狭缝分辨率48000,有狭缝分辨率达到48000~115000。仪器配有碘盒定标装置和同步定标系统。光谱仪的视向速度精度达到了约6m/s。
 
光谱仪效果图
望远镜卡焦接口单元可以实现原CCD测星系统和光谱仪系统工作模式之间的切换,切换通过内置的小平面切换镜实现,不改变测星系统工作光路。光谱仪定标单元的接入部分、导星和数据采集系统安装在卡焦接口单元上。导星是通过在望远镜焦面上放置一倾斜的孔径镜实现的,观测过程中可以实时导星。定标单元的光源部分提供高稳定度发射光源, 并不直接放到卡焦接口单元上。而是由光纤连接,导入光谱仪,从而实现光谱定标。
  
光纤导星装置
 
光谱仪通过光纤传输和卡焦连接,光谱仪安装到气浮光学平台总高度约1700mm(平台+密封罩)。各光学元件置于密封罩内。密封罩外及平台进行二次封闭进行温度控制。光谱仪主体部分将安置在在光谱房内。全部元件安装在一个大理石气浮平台上。
光谱仪本体(内部)
2.16米望远镜高分辨率光纤光谱仪在2010年6月在南京天文光学技术研究所完成所内的安装和调试,并在7月份拆装运往兴隆观测基地,进行了实地安装,经过调试和安装以后,2010年9月正式现场安装完毕,并且开始试观测,随着这台光谱仪的正式的启用,相信会有更多有价值的科学观测结果,让我们拭目以待。 
  
    
光谱仪观测到的恒星大气吸收线
 
 
 
 南极中山站磁子午面极光分光光谱仪
 
 
 
太阳系外行星探测
太阳系外行星直接成像技术
太阳系外行星探测技术实验室自2007年开始成立,逐步搭建完成了国内第一个用于太阳系外行星直接成像的星冕仪实验研发平台。先后开展了基于光瞳调制技术的高对比度成像技术研究、基于可变形镜的波前探测及校正技术研究、偏振相减消散斑噪声的图像处理系统研究、首次提出了基于液晶阵列的高对比度成像技术研究、高对比度成像暗区校正研究以及用于系外行星科学数据处理算法等相关研究。目前,已成功研发出了适用于不同结构望远镜的高对比度星冕仪,实验成像对比度分别在2λ/D和5λ/D 处达到10-7,该实验结果与国际同类研究小组水平相当。

 

多目标太阳系外行星搜寻光谱干涉技术
视向速度法用于测量恒星行星系统的多普勒效应,是目前国际天文学领域寻找太阳系外行星最有效的方法,其发现和确认的行星数量占全部的80%以上。实验室承担一项国家自然科学基金/天文联合基金重点项目“多目标太阳系外行星搜寻系统的研制与应用”。旨在LAMOST中低分辨率光谱仪的基础,利用外部色散干涉新技术,研制一套多目标太阳系外行星搜寻光谱干涉系统,实现依靠LAMOST大口径兼大视场的优势进行多目标太阳系外行星搜寻的功能。
 
 空间载荷地面检测设备
航天专用空间载荷地面检测设备主要功能是能够简单模拟卫星,飞机等飞行器
在飞行期间的标准地面景物,以定性检查相机的成像质量,检查相机各个视场内成像特性。通常由大型共轴或离轴反射式平行光管以及位于焦面端的静态靶标、动态靶标、照明系统组成。迄今为止,南京天文光学技术研究所天文光谱和高分辨成像技术研究室已经成功研制了十数台类似设备。下面是该研究室研制的两种类型的地面检测设备。
共轴式地面检测设备
焦距:f′=2020mm ;
有效通光口径:φ240mm;
视场角:±0.14°;
系统成像质量:RMS≤l/10 ;
平面反射镜转动范围:-5°~ 90°,最小微动量:3′;
热稳定性设计 ;
抗振动设计。
 
离轴式地面检测设备
焦距:f′=7000mm ;
通光孔径:φ380 mm ;
视场角2ω:0.5°;
系统质量要求:系统波前差RMS≤λ/15,PV≤λ/3;
在使用环境下,像质稳定,焦面变化量≤0.1mm;
动态靶标 ;
热稳定性设计 ;
抗振动设计。