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基于激光频率梳的天文光谱定标系统 肖 东 第四届海峡两岸天文望远镜与观测前沿技术研讨会 台湾 日月潭 2011年11月26日 报告内容 一、激光频率梳 (Laser frequency comb) 激光频率梳简介 激光频率梳的发展 二、天文光谱定标 太阳系外行星探测 现有天文光谱定标 三、激光频率梳技术应用于天文光谱定标所面临的挑战 四、小结 1.1 激光频率梳技术 激光频率梳以锁模超短脉冲激光器为基础，通过对纵模间隔和初始频率偏移的精密控制，获得到稳定、准确的光谱。 fn = n * frep + ? ? = ?? / 2?T 纵模间隔：激光器的腔长。 初始频率偏移：激光谐振腔内群速度、相速度的不同。 激光频率梳原理 (a) 时域 (b) 频域 1.2 激光频率梳的发展 现状: 波长覆盖: 可见光/近红外: 掺钛蓝宝石 掺稀土增益介质的光纤激光器 重复频率: 几百兆赫 天文应用对激光频率梳的要求: 光谱范围更宽广 重复频率大于10GHz 天文用激光频率梳的发展动向： 激光频率梳的频谱扩展，向短波长或长波长方向扩展 基于微腔结构的激光频率梳 2.1 太阳系外行星探测 1989年：Latham, Mayor, et al 探测到了一颗围绕着HD114762的伴星。 1995年：Mayor , Queloz发现51 Peg b 。 太阳系外行星探测 一个重要里程碑。 视向速度测量法 通过观测恒星光谱的多普勒频移，可以获得有关行星的信息。 早在上个世纪五十年代，美国科学家就提出进行天体的视向速度测量。 视向速度法 其它方法 已经发现的地外行星 2.2 现有天文光谱定标: 碘吸收谱线定标: 使用简便； 波长覆盖范围500~630nm，并拥有有足够多的特征用来进行定标； 碘本身安全、化学稳定，只具有轻微的腐蚀性； 碘盒对由望远镜搜集到的天体光有较大的衰减； 不能覆盖整个可见光范围。 钍氩灯同步定标: 光谱覆盖范围宽310nm~1100nm ； 钍氩灯自身的结构限制了它的长期稳定性。在钍氩灯的整个工作寿命期间，钍氩灯谱线的波长和强度都会发生微小的变化，进而引入测量的系统误差。 两者共同的缺点: 谱线空间分布不均匀； 谱线强度差异较大； 长期稳定性不好； 满足探测类地行星所需的精度要求。 激光频率梳技术应用于天文光谱定标 2008年，德国马克思-普朗克量子光学研究所与ESO合作将激光频率梳安装到德国真空太阳塔望远镜上，观测到太阳光谱的多普勒频移。 2010年，采用激光频率梳给ESO的HARPS进行定标，获得了15厘米/秒的重复定标精度。 3. 激光频率梳技术应用于天文光谱定标所面临的挑战 激光频率梳谱线间隔的提高 光纤传输系统的输入耦合 光纤传输系统 光纤传输系统输出耦合 环境因素对测量精度的影响 核心: 激光频率梳输出光束的频率高保真传输。 激光频率梳重复频率的提高： 采用腔外法布里－珀罗（F-P腔）滤波装置来提高谱线间隔。根据F-P腔的边摸抑制特性，将采用单F-P腔或级联的F-P腔来达到最终的谱线间隔要求。 激光频率梳光束在多模光纤中的传输 采用扰模技术，增加光纤中模式之间的耦合，使光纤的空间、透过特性均匀。 扰模技术： 机械扰模：利用机械的方法使光纤产生微弯曲。 光纤变换扰模：在阶跃折射率的光纤中接入一段渐变折射率的光纤。 外界物理环境对系统稳定性的影响 针对温度、压力通过折射率和色散等效应对测量精度的影响，将采用相应的措施来降低影响。一种方案是采用恒温、恒压的方法，另一种方案将采用整个系统抽真空的方法。同时还要考虑减振措施来降低振动所造成的影响。 激光频率梳，光纤传输系统，光谱仪的有效耦合 焦比劣化问题： 小 结 采用激光频率梳技术进行天文光谱定标正在成为一种趋势。 将激光频率梳技术应用于天文光谱定标，还有许多关键技术有待解决。这是一项具有挑战性的研究工作。 谢 谢！ fn =n?frep+? f2n=2n?frep+? 2fn =2(n?frep+?) 2fn-f2n=2(n?frep+?)-(2n?frep+?) = ?