LAMOST高分辨率光譜儀：從研制到雜散光分析的深度探究一、引言1.1研究背景與意義天文學(xué)作為一門探索宇宙奧秘的科學(xué)，始終致力于揭示天體的物理性質(zhì)、演化規(guī)律以及宇宙的起源和結(jié)構(gòu)。光譜儀作為天文學(xué)研究的核心設(shè)備之一，能夠?qū)⑻祗w發(fā)出的光分解成不同波長的光譜，為天文學(xué)家提供了豐富的信息，幫助他們了解天體的化學(xué)成分、溫度、壓力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)。隨著天文學(xué)研究的不斷深入，對(duì)光譜儀性能的要求也日益提高，高分辨率光譜儀應(yīng)運(yùn)而生。LAMOST（LargeSkyAreaMulti-ObjectFiberSpectroscopicTelescope），即大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，是我國自主研制的一項(xiàng)重大天文基礎(chǔ)設(shè)施。它具有大視場和高光譜獲取率的獨(dú)特優(yōu)勢，能夠同時(shí)觀測大量天體，為天文學(xué)研究提供了海量的光譜數(shù)據(jù)。LAMOST高分辨率光譜儀作為LAMOST望遠(yuǎn)鏡的重要終端設(shè)備，進(jìn)一步拓展了其觀測能力，使得天文學(xué)家能夠獲取更高分辨率的光譜信息，從而更深入地研究天體的精細(xì)結(jié)構(gòu)和物理過程。例如，利用LAMOST高分辨率光譜數(shù)據(jù)，天文學(xué)家證認(rèn)了兩顆新的富鋰巨星，并詳細(xì)分析了它們的性質(zhì)和富鋰機(jī)制，這一成果對(duì)于理解恒星的演化和元素的合成具有重要意義。在光譜儀的設(shè)計(jì)與研制過程中，雜散光問題是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵因素。雜散光指的是那些并非來自目標(biāo)天體的光線，它們?cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)中傳播并最終到達(dá)探測器，形成噪聲信號(hào)，對(duì)光譜儀的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。雜散光會(huì)降低光譜儀的信噪比，使得微弱的光譜信號(hào)難以被檢測和分析，從而限制了對(duì)天體的觀測精度和研究深度。在對(duì)遙遠(yuǎn)星系的光譜觀測中，雜散光可能會(huì)掩蓋星系中一些微弱天體的光譜特征，導(dǎo)致天文學(xué)家無法準(zhǔn)確了解星系的組成和演化。雜散光還會(huì)影響光譜儀的分辨率，使得光譜線展寬，降低對(duì)天體物理參數(shù)測量的準(zhǔn)確性。在研究恒星的化學(xué)成分時(shí)，雜散光可能會(huì)使某些元素的光譜線變得模糊，從而影響對(duì)元素豐度的精確測定。因此，深入研究LAMOST高分辨率光譜儀中的雜散光問題，并提出有效的分析方法和抑制措施，對(duì)于提升儀器性能、充分發(fā)揮其科學(xué)價(jià)值具有至關(guān)重要的意義。通過對(duì)LAMOST高分辨率光譜儀雜散光的研究，能夠更好地理解雜散光的產(chǎn)生機(jī)制和傳播路徑，為光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。這有助于降低雜散光的影響，提高光譜儀的信噪比和分辨率，使天文學(xué)家能夠獲取更準(zhǔn)確、更豐富的天體光譜信息，從而推動(dòng)天文學(xué)在恒星演化、星系形成與演化、宇宙學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究取得新的突破。對(duì)雜散光分析方法的研究也具有重要的方法論意義，能夠?yàn)槠渌鈱W(xué)儀器的雜散光研究提供借鑒和參考，促進(jìn)光學(xué)儀器技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在高分辨率光譜儀研制方面，國內(nèi)外均取得了顯著進(jìn)展。國外在這一領(lǐng)域起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的技術(shù)。美國的凱克天文臺(tái)（KeckObservatory）擁有世界上最大的光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡之一，其配備的高分辨率光譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)極高的光譜分辨率，為天體物理研究提供了極為精確的數(shù)據(jù)。凱克HIRES光譜儀的分辨率高達(dá)R=60,000，使得天文學(xué)家能夠?qū)阈堑幕瘜W(xué)成分、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行深入研究，推動(dòng)了系外行星探測、恒星演化等領(lǐng)域的發(fā)展。歐洲南方天文臺(tái)（ESO）的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）也配備了先進(jìn)的高分辨率光譜儀，如CRIRES+光譜儀，它在近紅外波段具有出色的性能，分辨率可達(dá)R=100,000，為研究恒星形成、星際介質(zhì)等提供了有力工具。這些國外的高分辨率光譜儀在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，采用了先進(jìn)的光學(xué)材料、精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)和高效的探測器，以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和靈敏度。國內(nèi)在高分辨率光譜儀研制方面雖然起步相對(duì)較晚，但近年來發(fā)展迅速，取得了一系列重要成果。LAMOST作為我國自主研制的大型天文望遠(yuǎn)鏡，其高分辨率光譜儀的研制成功標(biāo)志著我國在這一領(lǐng)域達(dá)到了國際先進(jìn)水平。LAMOST高分辨率光譜儀通過采用大芯徑光纖、雙切分像切分器、拼接深階梯光柵以及體相位全息光柵和獨(dú)立三角棱鏡的組合方式等創(chuàng)新設(shè)計(jì)，兼顧了高光譜分辨率與高星光獲取率，分辨率約為30,000，波長覆蓋范圍為3800-7300?，能夠?qū)Υ罅刻祗w進(jìn)行高分辨率光譜觀測。此外，我國在其他類型的高分辨率光譜儀研制方面也有不少突破。例如，在空間天文領(lǐng)域，我國的相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)正在積極開展高分辨率光譜儀的研究工作，以滿足未來空間天文觀測的需求；在實(shí)驗(yàn)室光譜儀方面，國內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)和高校也在不斷研發(fā)新型的高分辨率光譜儀，應(yīng)用于材料分析、化學(xué)檢測等領(lǐng)域，取得了良好的效果。在雜散光分析方面，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作。國外在雜散光分析方法和技術(shù)上較為成熟，發(fā)展了多種先進(jìn)的分析手段。利用光學(xué)工程仿真軟件如FRED、TracePro等對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，能夠精確地模擬雜散光的傳播路徑和分布情況，從而為雜散光的抑制提供依據(jù)。在對(duì)阿帕奇天文臺(tái)3.5米望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的雜散光分析中，通過建立詳細(xì)的望遠(yuǎn)鏡幾何模型和散射模型，利用FRED軟件重現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的針孔雜散光圖像，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，并通過點(diǎn)光源傳遞函數(shù)（PST）評(píng)價(jià)系統(tǒng)的雜散光性能，指導(dǎo)了對(duì)望遠(yuǎn)鏡擋板的修改，有效提高了系統(tǒng)的離軸排斥特性。此外，國外還注重對(duì)雜散光產(chǎn)生機(jī)理的深入研究，從光學(xué)元件的表面特性、光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面入手，探索減少雜散光的方法。國內(nèi)在雜散光分析領(lǐng)域也取得了一定的成果。科研人員針對(duì)不同類型的光學(xué)系統(tǒng)，開展了雜散光分析方法的研究。在對(duì)單細(xì)胞拉曼光譜儀光柵轉(zhuǎn)動(dòng)下系統(tǒng)雜散光產(chǎn)生機(jī)理的研究中，給出了雜散光抑制方法，特別是多重結(jié)構(gòu)下消除雜散光光學(xué)陷阱的設(shè)計(jì)方法，并通過TracePro軟件仿真驗(yàn)證了其有效性，分析結(jié)果顯示，雜散光抑制后不同波長處雜散輻射比降低了12%-47%，細(xì)胞拉曼光譜儀整體雜散光水平低于10-6，經(jīng)雜散光抑制后的光譜儀更加有利于微弱光信號(hào)的探測。在星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀的雜散光抑制研究中，通過設(shè)計(jì)遮光罩作為消雜光結(jié)構(gòu)，有效地降低了雜散光的影響，仿真結(jié)果顯示視場外雜散光在像面照度同中心視場像面照度的比值為5.4725×10-4。盡管國內(nèi)外在高分辨率光譜儀研制及雜散光分析方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足與空白。在高分辨率光譜儀研制方面，雖然目前的光譜儀在分辨率和靈敏度上有了很大提高，但在一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上仍有待進(jìn)一步突破。進(jìn)一步提高光譜儀的分辨率和信噪比，拓寬波長覆蓋范圍，同時(shí)降低儀器的成本和體積，以滿足更多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。在雜散光分析方面，現(xiàn)有的分析方法和技術(shù)在某些復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中還存在一定的局限性。對(duì)于一些具有特殊光學(xué)結(jié)構(gòu)或工作環(huán)境的光譜儀，現(xiàn)有的雜散光分析模型和方法可能無法準(zhǔn)確地描述雜散光的產(chǎn)生和傳播過程，需要發(fā)展更加精確和通用的雜散光分析理論和方法。此外，在雜散光抑制技術(shù)方面，雖然已經(jīng)提出了多種抑制方法，但在實(shí)際應(yīng)用中，如何綜合運(yùn)用這些方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)雜散光的高效抑制，仍需要進(jìn)一步的研究和探索。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究LAMOST高分辨率光譜儀的研制關(guān)鍵技術(shù)，全面分析其雜散光問題，通過理論研究、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，優(yōu)化光譜儀性能，完善雜散光分析方法，為其在天文學(xué)研究中的高效應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)支撐。具體研究內(nèi)容及技術(shù)路線如下：高分辨率光譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究：深入剖析LAMOST高分辨率光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，包括其獨(dú)特的大芯徑光纖、雙切分像切分器、拼接深階梯光柵以及體相位全息光柵和獨(dú)立三角棱鏡組合等關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)與優(yōu)勢。運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件如Zemax，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析，研究光線在系統(tǒng)中的傳播特性，優(yōu)化光學(xué)元件的參數(shù)和布局，以進(jìn)一步提高光譜儀的分辨率、靈敏度和星光獲取率。通過模擬不同工況下的光學(xué)性能，探索系統(tǒng)性能提升的潛在空間，為光譜儀的進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)提供理論依據(jù)。雜散光產(chǎn)生機(jī)制分析：從光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，全面梳理雜散光的可能來源，包括光學(xué)元件的表面反射、散射，光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件反射以及外部環(huán)境光的干擾等。利用光線追跡理論，建立雜散光傳播模型，深入分析雜散光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑和分布規(guī)律。通過對(duì)不同光學(xué)元件和結(jié)構(gòu)件的散射特性進(jìn)行理論計(jì)算和模擬分析，明確各因素對(duì)雜散光產(chǎn)生的貢獻(xiàn)程度，找出雜散光產(chǎn)生的主要根源，為后續(xù)的抑制措施提供針對(duì)性的方向。雜散光分析方法研究：在現(xiàn)有雜散光分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合LAMOST高分辨率光譜儀的特點(diǎn)，探索適用于該光譜儀的雜散光分析新方法。綜合運(yùn)用光學(xué)工程仿真軟件FRED、TracePro等，對(duì)光譜儀的雜散光進(jìn)行全面的數(shù)值模擬分析。通過建立詳細(xì)的光學(xué)系統(tǒng)模型，考慮光學(xué)元件的表面粗糙度、散射系數(shù)以及系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)等因素，精確模擬雜散光的傳播和分布情況。同時(shí)，研究如何利用實(shí)驗(yàn)測量手段，如點(diǎn)光源測量、積分球測量等，獲取雜散光的實(shí)際數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，提高雜散光分析的準(zhǔn)確性和可靠性。雜散光抑制措施研究：基于雜散光產(chǎn)生機(jī)制和分析結(jié)果，提出針對(duì)性的雜散光抑制措施。在光學(xué)元件層面，研究采用低散射材料、優(yōu)化表面鍍膜工藝等方法，減少光學(xué)元件表面的反射和散射；在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，通過合理設(shè)計(jì)遮光罩、擋板等結(jié)構(gòu)，優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的布局，阻擋雜散光的傳播路徑；在數(shù)據(jù)處理層面，研究開發(fā)有效的雜散光校正算法，對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除雜散光的影響。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，評(píng)估各種抑制措施的效果，篩選出最優(yōu)的抑制方案，并對(duì)抑制后的光譜儀性能進(jìn)行全面測試和分析，確保雜散光得到有效抑制，光譜儀性能得到顯著提升。二、LAMOST高分辨率光譜儀研制2.1LAMOST望遠(yuǎn)鏡概述LAMOST望遠(yuǎn)鏡，全稱為大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，又被稱為郭守敬望遠(yuǎn)鏡，是我國自主研制的一項(xiàng)具有重大意義的天文觀測設(shè)備，在國際天文學(xué)領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的技術(shù)，為天文學(xué)家們提供了研究宇宙奧秘的強(qiáng)大工具。LAMOST望遠(yuǎn)鏡的基本結(jié)構(gòu)由主動(dòng)非球面改正鏡MA、球面主鏡MB和焦面構(gòu)成，這三個(gè)主要部分相互配合，共同完成對(duì)天體光線的收集、反射和聚焦。MA是由24塊對(duì)角線長1.1米、厚度為25毫米的六角形平面子鏡組成，大小為5.72米×4.40米；MB則由37塊對(duì)角線長為1.1米、厚度為75毫米的六角形球面子鏡組成，大小為6.67米×6.05米。這種拼接鏡面的設(shè)計(jì)，既解決了制造大尺寸單一鏡面的技術(shù)難題，又通過主動(dòng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鏡面形狀的精確控制。球面主鏡及焦面固定在地基上，反射施密特改正板作為定天鏡跟蹤天體的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡在天體經(jīng)過中天前后時(shí)進(jìn)行觀測，天體的光首先經(jīng)MA反射到MB，再經(jīng)MB反射后成像在焦面上。LAMOST望遠(yuǎn)鏡的工作原理基于主動(dòng)光學(xué)技術(shù)和并行可控的光纖定位技術(shù)，這是其區(qū)別于傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵所在。主動(dòng)光學(xué)技術(shù)能夠根據(jù)天體光不同的入射角實(shí)時(shí)加力變形MA鏡面，產(chǎn)生一系列連續(xù)的非球面曲面，從而校正MB的球差，保證成像的清晰度。并行可控的光纖定位技術(shù)則使得在5度視場、直徑為1.75米的焦面上可以放置4000根光纖，這些光纖能夠?qū)⑻祗w的光分別傳輸?shù)焦庾V儀的狹縫上，然后通過光譜儀后的CCD探測器同時(shí)獲得大量天體的光譜。這意味著LAMOST望遠(yuǎn)鏡能夠在一次觀測中獲取眾多天體的光譜信息，極大地提高了觀測效率和數(shù)據(jù)獲取量。在天文學(xué)觀測中，LAMOST望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮著不可替代的重要作用。它是目前世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡，在大規(guī)模光學(xué)光譜觀測和大視場天文學(xué)研究方面處于國際領(lǐng)先地位。截至2023年6月，LAMOST望遠(yuǎn)鏡共觀測了8666個(gè)天區(qū)，光譜總數(shù)達(dá)到2229萬條。利用這些海量的光譜數(shù)據(jù)，天文學(xué)家在多個(gè)領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。在銀河系結(jié)構(gòu)與演化研究方面，LAMOST數(shù)據(jù)為揭示銀河系的形成和發(fā)展過程提供了關(guān)鍵線索，幫助科學(xué)家們了解銀河系中恒星的分布、運(yùn)動(dòng)和演化規(guī)律。在恒星物理研究中，通過對(duì)恒星光譜的分析，能夠獲取恒星的化學(xué)成分、溫度、壓力等重要物理參數(shù)，深入研究恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化機(jī)制。LAMOST望遠(yuǎn)鏡還在特殊天體搜尋中發(fā)揮了重要作用，幫助天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多罕見的天體，如富鋰巨星、藍(lán)離散星等，這些特殊天體的發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解宇宙中的物理過程和演化規(guī)律具有重要意義。2.2高分辨率光譜儀設(shè)計(jì)目標(biāo)與性能指標(biāo)LAMOST高分辨率光譜儀的研制有著明確且重要的科學(xué)目標(biāo)，旨在通過獲取高分辨率的天體光譜，深入研究天體的物理性質(zhì)和演化過程，為天文學(xué)領(lǐng)域的多個(gè)關(guān)鍵研究方向提供數(shù)據(jù)支持。在銀河系結(jié)構(gòu)與演化研究方面，光譜儀致力于精確測量銀河系中恒星的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，如視向速度、自行等，以及化學(xué)組成。通過這些數(shù)據(jù)，天文學(xué)家能夠繪制出銀河系的三維結(jié)構(gòu)，包括不同星族恒星的分布、旋臂結(jié)構(gòu)等，進(jìn)而深入了解銀河系的形成和演化歷史。精確測定恒星的化學(xué)組成可以揭示銀河系在不同演化階段的物質(zhì)交換和恒星形成活動(dòng)，對(duì)理解星系的演化機(jī)制具有重要意義。在恒星物理研究中，高分辨率光譜能夠提供恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化的關(guān)鍵信息。通過分析光譜中的吸收線和發(fā)射線，天文學(xué)家可以確定恒星的溫度、壓力、磁場等物理參數(shù)，研究恒星的能源產(chǎn)生機(jī)制、內(nèi)部對(duì)流過程以及恒星的演化階段。對(duì)于主序星，光譜分析可以確定其質(zhì)量、年齡和金屬豐度，從而研究恒星在主序階段的演化規(guī)律；對(duì)于紅巨星和白矮星，光譜信息有助于了解它們?cè)谘莼笃诘奈锢磉^程和結(jié)構(gòu)變化。在系外行星探測與研究領(lǐng)域，LAMOST高分辨率光譜儀也發(fā)揮著重要作用。通過高精度的視向速度測量，光譜儀能夠發(fā)現(xiàn)系外行星對(duì)恒星的引力擾動(dòng)，從而探測到系外行星的存在。對(duì)系外行星大氣的光譜分析，可以獲取行星大氣的化學(xué)成分、溫度、壓力等信息，研究系外行星的宜居性和形成機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo)，LAMOST高分辨率光譜儀具備一系列嚴(yán)格的性能指標(biāo)要求。在分辨率方面，光譜儀的分辨率約為30,000，這意味著它能夠分辨出非常接近的光譜線。在天體光譜中，許多元素的光譜線間距非常小，高分辨率能夠確保這些細(xì)微的差異被準(zhǔn)確分辨，從而為天體物理參數(shù)的精確測量提供保障。對(duì)于研究恒星的化學(xué)成分，高分辨率可以清晰地區(qū)分不同元素的光譜線，準(zhǔn)確測定元素的豐度；在系外行星探測中，高分辨率有助于精確測量恒星的視向速度變化，提高發(fā)現(xiàn)系外行星的能力。光譜覆蓋范圍是另一個(gè)重要指標(biāo)，該光譜儀的波長覆蓋范圍為3800-7300?。這一范圍涵蓋了可見光波段的大部分區(qū)域，能夠滿足對(duì)多種天體和天文現(xiàn)象的研究需求。許多恒星的特征光譜線都在這個(gè)波長范圍內(nèi)，通過對(duì)這些光譜線的分析，可以獲取恒星的溫度、化學(xué)組成等信息；對(duì)于一些發(fā)射星云和星系，它們?cè)谶@個(gè)波段也有明顯的光譜特征，有助于研究它們的物理性質(zhì)和演化過程。靈敏度也是衡量光譜儀性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。LAMOST高分辨率光譜儀需要具備較高的靈敏度，以檢測到微弱的天體光譜信號(hào)。在觀測遙遠(yuǎn)的星系和暗弱的天體時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度非常低，只有高靈敏度的光譜儀才能捕捉到這些微弱的信號(hào)，并進(jìn)行有效的分析。為了提高靈敏度，光譜儀在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、探測器選擇和數(shù)據(jù)處理等方面都采取了一系列優(yōu)化措施，采用低散射的光學(xué)材料和高效的光學(xué)鍍膜技術(shù)，減少光線在傳輸過程中的損失；選用高量子效率的探測器，提高對(duì)光子的檢測能力；通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，去除噪聲，增強(qiáng)信號(hào)的可檢測性。此外，光譜儀還需要具備良好的穩(wěn)定性和可靠性，以確保在長時(shí)間的觀測過程中能夠持續(xù)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。穩(wěn)定性包括波長穩(wěn)定性、強(qiáng)度穩(wěn)定性等方面，確保光譜儀在不同時(shí)間和環(huán)境條件下的測量結(jié)果具有一致性和準(zhǔn)確性?？煽啃詣t體現(xiàn)在光譜儀的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性上，減少故障發(fā)生的概率，保證觀測工作的順利進(jìn)行。2.3關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)2.3.1大芯徑光纖技術(shù)大芯徑光纖技術(shù)在LAMOST高分辨率光譜儀中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其核心原理在于通過增大光纖的芯徑來顯著提高星光獲取率。傳統(tǒng)光纖的芯徑相對(duì)較小，在收集天體光線時(shí)存在一定的局限性，導(dǎo)致部分光線無法有效地耦合進(jìn)入光纖，從而降低了星光獲取效率。而大芯徑光纖通過增大芯徑尺寸，能夠捕獲更多的光線，進(jìn)而提高了光譜儀對(duì)天體信號(hào)的收集能力。從光學(xué)原理的角度來看，光纖的數(shù)值孔徑（NA）與芯徑和包層的折射率密切相關(guān)，增大芯徑可以在一定程度上增大數(shù)值孔徑，使得光纖能夠接收更大角度范圍內(nèi)的光線，從而提高了對(duì)星光的收集效率。大芯徑光纖技術(shù)具有諸多優(yōu)勢。該技術(shù)能夠有效提高光譜儀的信噪比。由于大芯徑光纖可以收集更多的星光，使得到達(dá)探測器的信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)，在噪聲水平相對(duì)穩(wěn)定的情況下，信號(hào)強(qiáng)度的增加直接提高了信噪比。這對(duì)于觀測暗弱天體尤為重要，因?yàn)榘等跆祗w的信號(hào)本身就非常微弱，只有提高信噪比，才能從噪聲中準(zhǔn)確地提取出有用的光譜信息。在對(duì)遙遠(yuǎn)星系中的暗弱恒星進(jìn)行觀測時(shí)，大芯徑光纖能夠收集到更多的星光，使得恒星的光譜信號(hào)更加清晰，從而有助于天文學(xué)家對(duì)其進(jìn)行深入的研究。大芯徑光纖還能夠降低光纖的彎曲損耗。在實(shí)際應(yīng)用中，光纖需要進(jìn)行一定程度的彎曲以適應(yīng)光譜儀的結(jié)構(gòu)布局，而傳統(tǒng)小芯徑光纖在彎曲時(shí)容易產(chǎn)生較大的損耗，影響光線的傳輸效率。大芯徑光纖由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在彎曲時(shí)的損耗相對(duì)較小，能夠保證光線在傳輸過程中的穩(wěn)定性和可靠性。大芯徑光纖技術(shù)對(duì)光譜儀整體性能產(chǎn)生了多方面的積極影響。在分辨率方面，雖然大芯徑光纖本身并不直接決定光譜儀的分辨率，但它通過提高星光獲取率，為后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)和探測器提供了更強(qiáng)的信號(hào)，使得光譜儀能夠更準(zhǔn)確地分辨光譜線，從而間接提高了分辨率。在靈敏度方面，大芯徑光纖使得光譜儀能夠檢測到更微弱的天體信號(hào)，拓寬了光譜儀的觀測范圍，提高了對(duì)天體的探測能力。在觀測一些發(fā)射星云時(shí)，大芯徑光纖能夠收集到星云發(fā)出的微弱光線，使得光譜儀能夠檢測到星云的光譜特征，為研究星云的物理性質(zhì)提供了數(shù)據(jù)支持。大芯徑光纖技術(shù)還能夠提高光譜儀的觀測效率。由于能夠同時(shí)收集更多天體的光線，光譜儀在一次觀測中可以獲取更多的光譜數(shù)據(jù)，減少了觀測時(shí)間和成本，提高了觀測效率。2.3.2拼接深階梯光柵應(yīng)用拼接深階梯光柵是LAMOST高分辨率光譜儀中的關(guān)鍵光學(xué)元件，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作原理為光譜儀實(shí)現(xiàn)高性能提供了重要支撐。拼接深階梯光柵由多個(gè)小尺寸的光柵拼接而成，通過這種方式克服了制造大尺寸單一光柵的技術(shù)難題。每個(gè)小光柵具有相同的刻線密度和臺(tái)階高度，但它們?cè)谄唇訒r(shí)會(huì)形成一定的角度差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的高效色散。拼接深階梯光柵的工作原理基于衍射光柵的基本原理，即光線在光柵上發(fā)生衍射，不同波長的光線由于衍射角的不同而被分開。在拼接深階梯光柵中，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，光線在經(jīng)過多個(gè)光柵臺(tái)階時(shí)會(huì)發(fā)生多次衍射和干涉，從而增強(qiáng)了色散效果。與傳統(tǒng)光柵相比，拼接深階梯光柵能夠?qū)崿F(xiàn)大一倍的色散能力，這主要是因?yàn)槠洳捎昧烁呒?jí)次光譜和大入射角的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)光柵中，通常使用低級(jí)次光譜（如第1或第2級(jí)），需要細(xì)刻線光柵才能獲得高角色散；而拼接深階梯光柵利用高級(jí)次光譜（幾十或上百級(jí)），即使是粗光柵也能獲得高角色散。大入射角的設(shè)計(jì)也進(jìn)一步增強(qiáng)了色散能力，使得不同波長的光線在經(jīng)過光柵后能夠更明顯地分開。拼接深階梯光柵的應(yīng)用對(duì)提升光譜分辨率具有重要意義。由于其強(qiáng)大的色散能力，能夠?qū)⒐庾V線在空間上更充分地展開，使得光譜儀能夠分辨出更細(xì)微的光譜特征。在研究恒星的化學(xué)成分時(shí)，高分辨率的光譜能夠清晰地區(qū)分不同元素的光譜線，準(zhǔn)確測定元素的豐度。對(duì)于一些元素的同位素，其光譜線的差異非常微小，只有高分辨率的光譜儀才能將它們分辨出來。拼接深階梯光柵還能夠減少光譜的重疊，提高光譜的純度，使得光譜分析更加準(zhǔn)確可靠。在觀測星系的光譜時(shí)，不同天體的光譜可能會(huì)發(fā)生重疊，而拼接深階梯光柵能夠有效地將它們分開，為天文學(xué)家提供更清晰的光譜信息。2.3.3棱柵組合式橫向色散器棱柵組合式橫向色散器是LAMOST高分辨率光譜儀中的一項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思路旨在優(yōu)化光譜儀的色散性能，解決傳統(tǒng)色散器在某些方面存在的不足。該色散器將棱鏡和光柵組合在一起，充分利用了棱鏡和光柵各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了更高效的色散效果。棱鏡的色散特性是基于不同波長的光在棱鏡材料中具有不同的折射率，從而使得光線在通過棱鏡時(shí)發(fā)生折射，不同波長的光被分開。光柵則是通過衍射原理對(duì)光線進(jìn)行色散。棱柵組合式橫向色散器將兩者結(jié)合，使得光線先通過棱鏡進(jìn)行初步色散，然后再經(jīng)過光柵進(jìn)一步色散。這種組合方式能夠在不同波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更均勻的色散，改善了傳統(tǒng)色散器在紅藍(lán)兩端級(jí)次間隔差異較大的問題。在傳統(tǒng)的色散器中，由于光柵的色散特性在不同波長范圍內(nèi)存在差異，導(dǎo)致在光譜的紅藍(lán)兩端級(jí)次間隔不一致。這會(huì)影響光譜儀對(duì)不同波長范圍內(nèi)光譜線的分辨能力，尤其是在長波長和短波長區(qū)域，可能會(huì)出現(xiàn)光譜線重疊或分辨率降低的情況。而棱柵組合式橫向色散器通過棱鏡的預(yù)色散作用，對(duì)光線進(jìn)行初步的波長分離，使得進(jìn)入光柵的光線在波長分布上更加均勻，從而減少了光柵在不同波長范圍內(nèi)的色散差異，有效地改善了紅藍(lán)兩端級(jí)次間隔差異的問題。具體來說，棱鏡的色散曲線與光柵的色散曲線具有互補(bǔ)性。在短波長區(qū)域，棱鏡的色散能力較強(qiáng)，能夠?qū)⒍滩ㄩL的光線有效地分開；而在長波長區(qū)域，光柵的色散能力相對(duì)較強(qiáng)。通過合理設(shè)計(jì)棱柵組合式橫向色散器中棱鏡和光柵的參數(shù)和布局，可以使兩者的色散特性相互配合，實(shí)現(xiàn)全波長范圍內(nèi)更均勻的色散。這使得光譜儀在整個(gè)波長覆蓋范圍內(nèi)都能夠保持較高的分辨率，準(zhǔn)確地分辨出不同波長的光譜線，為天體光譜的精確分析提供了有力保障。2.3.4縫前像切分器縫前像切分器是LAMOST高分辨率光譜儀中用于解決高分辨率和高星光獲取率矛盾的關(guān)鍵組件，其工作方式基于對(duì)光線的巧妙處理，能夠在不犧牲星光獲取率的前提下提高光譜分辨率。縫前像切分器的工作原理是將來自天體的光線在進(jìn)入光譜儀狹縫之前進(jìn)行切分和重組。具體來說，它通過一系列的光學(xué)元件，如反射鏡、透鏡等，將天體的像分割成多個(gè)子像，然后將這些子像重新排列并聚焦到光譜儀的狹縫上。這樣做的目的是增加狹縫的有效長度，從而提高光譜分辨率。在傳統(tǒng)的光譜儀中，狹縫的寬度和長度對(duì)光譜分辨率和星光獲取率有著重要影響。較窄的狹縫可以提高分辨率，但會(huì)減少星光的通過率；而較寬的狹縫雖然能夠增加星光獲取率，但會(huì)降低分辨率?？p前像切分器通過將像切分并重新排列，使得在不改變狹縫物理寬度的情況下，增加了狹縫的等效長度，從而在保證高星光獲取率的同時(shí)提高了分辨率?？p前像切分器在解決高分辨率和高星光獲取率矛盾中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在天文觀測中，許多天體的光線非常微弱，需要高星光獲取率來確保能夠檢測到足夠的信號(hào)。對(duì)天體的精細(xì)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的研究又需要高分辨率的光譜。縫前像切分器通過其獨(dú)特的工作方式，巧妙地平衡了這兩個(gè)相互矛盾的需求。在對(duì)恒星表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，需要高分辨率的光譜來分辨恒星表面不同區(qū)域的光譜特征，而恒星的光線相對(duì)較弱，需要高星光獲取率來保證信號(hào)的強(qiáng)度?？p前像切分器能夠在收集足夠星光的同時(shí)，提高光譜分辨率，使得天文學(xué)家能夠獲取到高質(zhì)量的恒星光譜，深入研究恒星的物理性質(zhì)。2.4光譜儀的搭建與調(diào)試在完成LAMOST高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)后，進(jìn)入到實(shí)際的搭建與調(diào)試階段，這一階段對(duì)于確保光譜儀能夠達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)至關(guān)重要。光譜儀的搭建過程是一項(xiàng)復(fù)雜而精細(xì)的工作，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)和技術(shù)要點(diǎn)。在光學(xué)元件的安裝與調(diào)試方面，大芯徑光纖的安裝需要特別小心，以確保其與其他光學(xué)元件的精確對(duì)準(zhǔn)。由于大芯徑光纖的芯徑較大，在連接和固定時(shí)要避免出現(xiàn)彎曲過度或擠壓的情況，否則會(huì)影響光線的傳輸效率和質(zhì)量。采用高精度的光纖對(duì)準(zhǔn)設(shè)備，通過顯微鏡觀察和微調(diào)，確保光纖的端面與準(zhǔn)直鏡的焦點(diǎn)精確重合，使光線能夠順利進(jìn)入后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)。拼接深階梯光柵的安裝精度要求極高，因?yàn)槠淦唇拥臏?zhǔn)確性直接影響到光譜儀的色散性能和分辨率。在安裝過程中，利用高精度的定位夾具和測量儀器，對(duì)每個(gè)小光柵進(jìn)行精確的定位和拼接，確保它們之間的角度差和位置偏差控制在極小的范圍內(nèi)。在調(diào)試過程中，通過對(duì)光柵的微小調(diào)整，優(yōu)化其對(duì)光線的衍射效果，使不同波長的光線能夠更準(zhǔn)確地被分開。棱柵組合式橫向色散器的安裝調(diào)試則需要綜合考慮棱鏡和光柵的相對(duì)位置和角度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，精確調(diào)整棱鏡和光柵的安裝角度，使光線在經(jīng)過棱鏡預(yù)色散后，能夠以最佳的角度入射到光柵上，實(shí)現(xiàn)更均勻的色散效果。通過對(duì)不同波長光線的測試和分析，不斷優(yōu)化棱柵組合的參數(shù)，提高光譜儀在全波長范圍內(nèi)的分辨率和色散均勻性。機(jī)械結(jié)構(gòu)的組裝與校準(zhǔn)是光譜儀搭建的另一重要方面。光譜儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要具備高精度和穩(wěn)定性，以保證光學(xué)元件的相對(duì)位置在各種環(huán)境條件下都能保持不變。在組裝過程中，對(duì)各個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸檢測和精度控制，確保它們能夠準(zhǔn)確地安裝到位。采用高精度的導(dǎo)軌和滑塊，保證光學(xué)元件在移動(dòng)過程中的平穩(wěn)性和重復(fù)性；使用高強(qiáng)度的支撐結(jié)構(gòu)，確保整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)能夠承受光學(xué)元件的重量和外界的振動(dòng)干擾。校準(zhǔn)過程中，利用激光干涉儀等高精度測量設(shè)備，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸和位置進(jìn)行精確測量和調(diào)整。對(duì)導(dǎo)軌的直線度、平行度進(jìn)行校準(zhǔn)，保證光學(xué)元件在移動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)偏差；對(duì)光學(xué)元件的安裝平面進(jìn)行平整度檢測和調(diào)整，確保它們之間的相對(duì)角度和位置符合設(shè)計(jì)要求。在調(diào)試過程中，遇到了諸多問題，這些問題的解決過程推動(dòng)了光譜儀性能的不斷優(yōu)化。雜散光問題較為突出，其來源主要包括光學(xué)元件的表面反射和散射、光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的反射以及外部環(huán)境光的干擾等。為了解決雜散光問題，首先對(duì)光學(xué)元件的表面進(jìn)行了仔細(xì)的清潔和檢查，確保表面沒有灰塵、油污等污染物，減少表面散射。在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，合理設(shè)計(jì)遮光罩和擋板的位置和形狀，阻擋雜散光的傳播路徑。通過多次試驗(yàn)和優(yōu)化，確定了遮光罩和擋板的最佳結(jié)構(gòu)和尺寸，有效降低了雜散光的影響。外部環(huán)境光的干擾則通過對(duì)光譜儀進(jìn)行密封和屏蔽處理來解決，減少外界光線進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。波長校準(zhǔn)也是調(diào)試過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題。由于光譜儀的波長精度直接影響到對(duì)天體光譜的分析結(jié)果，因此需要進(jìn)行精確的波長校準(zhǔn)。采用標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)光源的已知光譜線和光譜儀測量得到的光譜線，確定波長的偏差。然后，利用軟件算法對(duì)波長進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜儀波長的精確校準(zhǔn)。在實(shí)際操作中，發(fā)現(xiàn)不同波長范圍內(nèi)的波長偏差存在一定的規(guī)律，通過對(duì)這些規(guī)律的分析和總結(jié)，進(jìn)一步優(yōu)化了波長校準(zhǔn)算法，提高了校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和效率。探測器的性能調(diào)試同樣重要。探測器的靈敏度、噪聲水平等參數(shù)直接影響到光譜儀對(duì)微弱天體信號(hào)的檢測能力。在調(diào)試過程中，通過調(diào)整探測器的工作電壓、積分時(shí)間等參數(shù)，優(yōu)化其性能。增加探測器的積分時(shí)間可以提高對(duì)微弱信號(hào)的檢測能力，但同時(shí)也會(huì)增加噪聲的積累。因此，需要在靈敏度和噪聲之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，通過多次試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，確定了探測器的最佳工作參數(shù)，使其在保證一定靈敏度的前提下，盡量降低噪聲水平。還對(duì)探測器的響應(yīng)均勻性進(jìn)行了測試和校準(zhǔn)，確保在整個(gè)探測面上對(duì)不同位置的光線具有相同的響應(yīng)能力，提高光譜測量的準(zhǔn)確性。三、雜散光的形成機(jī)制與影響3.1雜散光的定義與來源雜散光，作為光學(xué)系統(tǒng)中一類特殊的光線，在天文學(xué)觀測以及各類光學(xué)儀器的應(yīng)用中，扮演著不容忽視的角色。從定義上看，雜散光是指那些并非來自目標(biāo)天體或預(yù)期信號(hào)源，卻進(jìn)入了光學(xué)系統(tǒng)并最終到達(dá)探測器的光線。這些光線在傳播過程中，偏離了正常的光學(xué)路徑，對(duì)系統(tǒng)的正常功能產(chǎn)生干擾。雜散光的來源較為復(fù)雜，主要可分為以下幾個(gè)方面：光學(xué)元件表面散射：光學(xué)元件是光譜儀的核心組成部分，其表面特性對(duì)雜散光的產(chǎn)生有著重要影響。在實(shí)際的光譜儀中，如LAMOST高分辨率光譜儀，大芯徑光纖、拼接深階梯光柵、棱柵組合式橫向色散器等光學(xué)元件的表面并非理想的光滑狀態(tài)。即使經(jīng)過高精度的加工和拋光處理，光學(xué)元件表面仍存在一定程度的微觀粗糙度。這種微觀粗糙度會(huì)導(dǎo)致光線在元件表面發(fā)生散射，使得部分光線偏離原本的傳播方向，從而形成雜散光。當(dāng)光線在拼接深階梯光柵的表面?zhèn)鞑r(shí)，由于光柵刻線的微觀不平整，光線會(huì)在刻線邊緣發(fā)生散射，產(chǎn)生雜散光。灰塵沾污也是導(dǎo)致光學(xué)元件表面散射增加的一個(gè)重要因素。在光譜儀的使用過程中，環(huán)境中的灰塵可能會(huì)附著在光學(xué)元件表面，這些灰塵顆粒的存在改變了光線的傳播路徑，引發(fā)散射現(xiàn)象，進(jìn)一步增加了雜散光的產(chǎn)生。機(jī)械結(jié)構(gòu)反射：光譜儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如鏡筒、支架、擋板等，雖然其設(shè)計(jì)目的并非參與光學(xué)成像，但在實(shí)際工作中，它們卻可能成為雜散光的重要來源。這些機(jī)械結(jié)構(gòu)通常由金屬或其他材料制成，其表面具有一定的反射率。當(dāng)光線在光學(xué)系統(tǒng)中傳播時(shí)，不可避免地會(huì)照射到機(jī)械結(jié)構(gòu)表面，部分光線會(huì)被反射，形成雜散光。在LAMOST高分辨率光譜儀中，鏡筒內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)如果沒有進(jìn)行良好的黑化處理，光線在鏡筒內(nèi)傳播時(shí)，就會(huì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)表面發(fā)生多次反射，這些反射光線相互疊加，最終形成雜散光，干擾光譜信號(hào)的檢測。環(huán)境光干擾：光譜儀所處的外部環(huán)境也是雜散光的一個(gè)重要來源。對(duì)于地基天文觀測的光譜儀而言，城市燈光經(jīng)大氣反射產(chǎn)生的天空輝光可能是雜散光的主要來源之一。在夜晚進(jìn)行觀測時(shí)，城市中的燈光會(huì)向天空散射，這些散射光經(jīng)過大氣的反射和折射后，進(jìn)入光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，形成雜散光。太陽、地球和月球等天體也可能成為軌道望遠(yuǎn)鏡的外部雜散光源。當(dāng)軌道望遠(yuǎn)鏡在運(yùn)行過程中，若太陽、地球或月球進(jìn)入其視場范圍，它們發(fā)出的強(qiáng)烈光線會(huì)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的觀測產(chǎn)生干擾，形成雜散光。在一些特殊的觀測環(huán)境中，如靠近光源的工業(yè)現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室，周圍環(huán)境中的光線也可能會(huì)進(jìn)入光譜儀，產(chǎn)生雜散光。3.2雜散光對(duì)光譜儀性能的影響雜散光在光譜儀的運(yùn)行過程中扮演著關(guān)鍵的負(fù)面角色，它對(duì)光譜儀的各項(xiàng)性能指標(biāo)都產(chǎn)生了顯著的影響，進(jìn)而干擾了天文學(xué)研究的準(zhǔn)確性和深度。雜散光對(duì)光譜分辨率有著直接的負(fù)面影響。光譜分辨率是光譜儀能夠分辨相鄰光譜線的能力，它對(duì)于準(zhǔn)確分析天體的光譜特征至關(guān)重要。雜散光的存在會(huì)導(dǎo)致光譜線展寬，使得原本清晰可辨的相鄰光譜線變得模糊，難以準(zhǔn)確區(qū)分。這是因?yàn)殡s散光在光學(xué)系統(tǒng)中傳播時(shí)，會(huì)與正常的光譜信號(hào)相互疊加，增加了光譜的背景噪聲。在對(duì)恒星光譜進(jìn)行分析時(shí)，恒星的光譜中包含了各種元素的特征譜線，這些譜線的精確測量能夠幫助天文學(xué)家確定恒星的化學(xué)成分、溫度、壓力等物理參數(shù)。當(dāng)存在雜散光時(shí)，一些原本能夠被清晰分辨的元素譜線可能會(huì)因?yàn)殡s散光的干擾而重疊在一起，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測量元素的含量和特征，從而影響對(duì)恒星物理性質(zhì)的研究。雜散光對(duì)信噪比的影響也不容忽視。信噪比是信號(hào)與噪聲的比值，它反映了光譜儀檢測微弱信號(hào)的能力。雜散光作為一種噪聲信號(hào)，會(huì)降低光譜儀的信噪比。當(dāng)雜散光的強(qiáng)度較大時(shí)，它會(huì)掩蓋微弱的光譜信號(hào)，使得光譜儀難以檢測到這些信號(hào)，從而限制了對(duì)暗弱天體的觀測。在觀測遙遠(yuǎn)星系中的暗弱恒星或星際物質(zhì)時(shí)，這些天體發(fā)出的信號(hào)本身就非常微弱，雜散光的存在會(huì)進(jìn)一步降低信號(hào)的可檢測性。如果雜散光的強(qiáng)度與信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)甚至超過信號(hào)強(qiáng)度，那么就無法從噪聲中提取出有用的光譜信息，導(dǎo)致對(duì)這些天體的研究無法進(jìn)行。雜散光還會(huì)影響光譜信號(hào)的強(qiáng)度和形狀，使得信號(hào)的準(zhǔn)確性受到質(zhì)疑。這是因?yàn)殡s散光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑和強(qiáng)度分布是不確定的，它會(huì)隨機(jī)地疊加在光譜信號(hào)上，導(dǎo)致信號(hào)的波動(dòng)和失真。在對(duì)天體光譜進(jìn)行定量分析時(shí)，這種信號(hào)的失真會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差增大，影響對(duì)天體物理參數(shù)的準(zhǔn)確測定。雜散光還會(huì)導(dǎo)致測量誤差的增加。在天文學(xué)研究中，對(duì)天體光譜的準(zhǔn)確測量是獲取天體物理信息的關(guān)鍵。雜散光的存在會(huì)干擾光譜的測量過程，導(dǎo)致測量結(jié)果偏離真實(shí)值。雜散光會(huì)使光譜的背景強(qiáng)度增加，從而影響對(duì)光譜線強(qiáng)度的測量。在測量天體光譜中的發(fā)射線或吸收線強(qiáng)度時(shí)，需要準(zhǔn)確扣除背景強(qiáng)度才能得到真實(shí)的譜線強(qiáng)度。如果存在雜散光，背景強(qiáng)度的測量就會(huì)不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致譜線強(qiáng)度的測量誤差增大。雜散光還會(huì)影響光譜的波長測量精度。由于雜散光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑與正常光譜信號(hào)不同，它可能會(huì)導(dǎo)致光譜的色散特性發(fā)生變化，從而影響波長的測量準(zhǔn)確性。在對(duì)天體的徑向速度進(jìn)行測量時(shí)，需要精確測量光譜線的波長偏移，雜散光的存在會(huì)使得波長測量出現(xiàn)誤差，進(jìn)而影響對(duì)天體徑向速度的準(zhǔn)確測定。在實(shí)際的天文學(xué)研究中，雜散光的干擾屢見不鮮。在對(duì)系外行星大氣的光譜觀測中，由于系外行星的信號(hào)非常微弱，雜散光很容易對(duì)觀測結(jié)果產(chǎn)生干擾。雜散光可能會(huì)掩蓋系外行星大氣中的一些微弱的光譜特征，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確了解系外行星大氣的化學(xué)成分和物理性質(zhì)。在對(duì)銀河系中星際物質(zhì)的光譜研究中，雜散光也會(huì)影響對(duì)星際物質(zhì)中分子和原子譜線的測量，使得對(duì)星際物質(zhì)的組成和演化的研究受到阻礙。這些實(shí)例充分說明了雜散光對(duì)天文學(xué)研究的干擾是非常嚴(yán)重的，必須采取有效的措施來抑制雜散光，提高光譜儀的性能，以確保天文學(xué)研究的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3雜散光分析的必要性雜散光分析在光譜儀的研究與應(yīng)用中具有不可忽視的重要性，它對(duì)優(yōu)化光譜儀設(shè)計(jì)、提高測量精度以及滿足科學(xué)研究需求等方面均發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在優(yōu)化光譜儀設(shè)計(jì)方面，雜散光分析能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的參考依據(jù)。通過深入分析雜散光的產(chǎn)生機(jī)制和傳播路徑，可以精準(zhǔn)地找出光學(xué)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)。在LAMOST高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)中，若未對(duì)雜散光進(jìn)行分析，可能會(huì)忽視光學(xué)元件表面粗糙度對(duì)雜散光的影響，導(dǎo)致雜散光在光學(xué)系統(tǒng)中大量產(chǎn)生，降低光譜儀的性能。通過雜散光分析，能夠了解到不同光學(xué)元件表面粗糙度與雜散光產(chǎn)生量之間的關(guān)系，進(jìn)而在設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的光學(xué)材料和加工工藝，降低光學(xué)元件表面的粗糙度，減少雜散光的產(chǎn)生。雜散光分析還可以幫助優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局。通過模擬光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播情況，分析不同結(jié)構(gòu)布局下雜散光的分布和強(qiáng)度，從而確定最佳的光學(xué)元件排列方式和遮光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效阻擋雜散光的傳播路徑，提高光譜儀的性能。合理設(shè)計(jì)遮光罩和擋板的位置和形狀，能夠減少機(jī)械結(jié)構(gòu)反射產(chǎn)生的雜散光，提高光譜儀的成像質(zhì)量。提高測量精度是雜散光分析的另一個(gè)重要意義。雜散光的存在會(huì)嚴(yán)重干擾光譜信號(hào)的測量，導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差增大。通過對(duì)雜散光的分析，可以采取有效的抑制措施，降低雜散光的影響，從而提高測量精度。在對(duì)天體光譜進(jìn)行測量時(shí)，雜散光可能會(huì)掩蓋微弱的光譜信號(hào)，使得測量結(jié)果無法準(zhǔn)確反映天體的真實(shí)情況。通過雜散光分析，采用合適的光學(xué)鍍膜技術(shù)和消光材料，減少光學(xué)元件表面的反射和散射，降低雜散光的強(qiáng)度，使光譜信號(hào)更加清晰，提高了對(duì)天體光譜測量的準(zhǔn)確性。雜散光分析還可以為數(shù)據(jù)處理提供支持。通過了解雜散光的特性和分布規(guī)律，可以開發(fā)出更有效的數(shù)據(jù)處理算法，對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和去噪，進(jìn)一步提高測量精度。利用雜散光分析得到的雜散光分布模型，在數(shù)據(jù)處理過程中對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行扣除和校正，能夠消除雜散光對(duì)測量結(jié)果的影響，提高數(shù)據(jù)的可靠性。滿足科學(xué)研究需求是雜散光分析的根本目的。隨著天文學(xué)研究的不斷深入，對(duì)光譜儀性能的要求越來越高。在研究恒星的演化過程中，需要精確測量恒星光譜中的各種參數(shù)，以了解恒星內(nèi)部的物理過程。雜散光的存在會(huì)干擾這些參數(shù)的測量，使得研究結(jié)果存在偏差。通過雜散光分析，能夠提高光譜儀的性能，滿足對(duì)恒星光譜高精度測量的需求，為恒星演化研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在系外行星探測中，需要檢測系外行星大氣中的微弱光譜信號(hào)，以確定行星的大氣成分和宜居性。雜散光的干擾會(huì)使得這些微弱信號(hào)難以被檢測到，通過雜散光分析，采取有效的雜散光抑制措施，提高光譜儀的靈敏度和分辨率，能夠滿足系外行星探測對(duì)光譜儀性能的嚴(yán)格要求，推動(dòng)天文學(xué)研究的發(fā)展。四、LAMOST高分辨率光譜儀雜散光分析方法4.1傳統(tǒng)雜散光分析方法概述在光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析領(lǐng)域，經(jīng)過長期的研究與實(shí)踐，形成了一系列傳統(tǒng)的分析方法，這些方法在不同的應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用，為雜散光的研究提供了基礎(chǔ)和思路。光線追跡法是一種基于幾何光學(xué)原理的常用雜散光分析方法。其基本原理是將光線視為幾何射線，按照光的傳播定律，如直線傳播定律、反射定律和折射定律，來追蹤光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑。在實(shí)際應(yīng)用中，通過在光學(xué)系統(tǒng)的物空間中選取大量的光線，這些光線以不同的角度和位置入射到光學(xué)系統(tǒng)中。然后，根據(jù)光學(xué)元件的表面特性，包括表面的形狀、折射率、反射率等參數(shù)，以及光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局，逐步計(jì)算光線在各個(gè)光學(xué)元件表面的反射、折射和散射情況。在光線遇到反射鏡時(shí)，根據(jù)反射定律確定反射光線的方向；當(dāng)光線穿過透鏡時(shí)，依據(jù)折射定律計(jì)算折射光線的路徑。對(duì)于存在散射的光學(xué)表面，如表面粗糙度較大的光學(xué)元件，根據(jù)散射理論來確定散射光線的分布。通過這種方式，能夠全面地模擬光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播過程，從而確定雜散光的傳播路徑和最終在探測器上的分布情況。光線追跡法的優(yōu)點(diǎn)在于直觀性強(qiáng)，能夠清晰地展示光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播軌跡，幫助研究人員快速定位雜散光的來源和傳播路徑。它還具有較高的準(zhǔn)確性，只要能夠準(zhǔn)確地獲取光學(xué)元件的參數(shù)和表面特性，就能夠較為精確地模擬雜散光的傳播。在一些簡單的光學(xué)系統(tǒng)中，通過光線追跡法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測雜散光的影響，并為雜散光的抑制提供有效的指導(dǎo)。光線追跡法也存在一定的局限性，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜，包含大量的光學(xué)元件和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)，光線追跡的計(jì)算量會(huì)急劇增加，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長，甚至在某些情況下，由于計(jì)算資源的限制，無法完成計(jì)算。光線追跡法對(duì)于光學(xué)元件表面的散射特性的描述相對(duì)簡化，在處理一些具有復(fù)雜散射特性的表面時(shí)，可能無法準(zhǔn)確地模擬雜散光的產(chǎn)生和傳播。實(shí)驗(yàn)測量法是另一種重要的雜散光分析方法，它通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作來獲取雜散光的相關(guān)數(shù)據(jù)。常用的實(shí)驗(yàn)測量方法有點(diǎn)光源測量法和積分球測量法。點(diǎn)光源測量法是在光學(xué)系統(tǒng)的特定位置放置一個(gè)點(diǎn)光源，該點(diǎn)光源發(fā)出的光線模擬實(shí)際觀測中的雜散光來源。然后，在探測器位置測量點(diǎn)光源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的強(qiáng)度分布，通過分析這些強(qiáng)度分布來確定雜散光的情況。在對(duì)某一光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行雜散光分析時(shí)，將點(diǎn)光源放置在可能產(chǎn)生雜散光的位置，如光學(xué)系統(tǒng)的邊緣或機(jī)械結(jié)構(gòu)附近，利用探測器測量不同方向上的光強(qiáng)，從而繪制出雜散光的分布圖譜。積分球測量法則是利用積分球的特性來測量雜散光。積分球是一種內(nèi)壁涂有高反射率材料的球體，它能夠?qū)⑷肷涔饩€均勻地散射到各個(gè)方向。在測量雜散光時(shí)，將光學(xué)系統(tǒng)放置在積分球內(nèi)，積分球收集來自光學(xué)系統(tǒng)的所有光線，包括雜散光。通過測量積分球出口處的光強(qiáng)，并結(jié)合積分球的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的雜散光的總量和分布情況。實(shí)驗(yàn)測量法的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接獲取實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中的雜散光數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，能夠準(zhǔn)確地反映光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際工作狀態(tài)下的雜散光情況。實(shí)驗(yàn)測量法還可以驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，為雜散光分析提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)測量法也存在一些缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測量需要搭建復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、探測器以及各種輔助設(shè)備，這不僅增加了實(shí)驗(yàn)的成本和難度，還對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境有一定的要求，如需要在暗室中進(jìn)行，以避免外界光線的干擾。實(shí)驗(yàn)測量的時(shí)間較長，尤其是對(duì)于需要測量多個(gè)參數(shù)和不同工況下的雜散光情況時(shí)，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)采集，耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。實(shí)驗(yàn)測量法還受到測量設(shè)備精度的限制，測量結(jié)果可能存在一定的誤差。除了光線追跡法和實(shí)驗(yàn)測量法，還有一些其他的傳統(tǒng)雜散光分析方法，如近軸近似法。近軸近似法是在光線追跡的基礎(chǔ)上，對(duì)光線的傳播進(jìn)行簡化處理，假設(shè)光線在近軸區(qū)域內(nèi)傳播，忽略光線的高階像差。這種方法適用于一些對(duì)精度要求不高的初步分析，能夠快速地估算雜散光的大致情況。在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用近軸近似法來快速評(píng)估雜散光的影響，為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供參考。近軸近似法的計(jì)算量較小，但由于其對(duì)光線傳播的簡化假設(shè)，導(dǎo)致其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有限，只能用于定性分析，無法滿足高精度的雜散光分析需求。4.2LAMOST高分辨率光譜儀雜散光分析的獨(dú)特方法4.2.1Harvey散射模型構(gòu)建在LAMOST高分辨率光譜儀的雜散光分析中，Harvey散射模型的構(gòu)建對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估光學(xué)面粗糙度對(duì)雜散光的影響至關(guān)重要。首先，利用小型粗糙度測量儀對(duì)光譜儀所有光學(xué)面的表面粗糙度\sigma進(jìn)行精確測量。表面粗糙度是影響光線散射的關(guān)鍵因素之一，其數(shù)值反映了光學(xué)面微觀上的不平整程度。根據(jù)粗糙度測量數(shù)據(jù)，計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)以構(gòu)建Harvey散射模型。該模型采用雙向散射分布函數(shù)（BSDF）來表征光學(xué)面的散射情況。Harvey模型包含三個(gè)重要參數(shù)：b_0、l和s。其中，b_0對(duì)應(yīng)函數(shù)峰值，它決定了散射光在特定角度下的強(qiáng)度；l描述峰值的寬度，反映了散射光強(qiáng)度在一定角度范圍內(nèi)的變化情況；s描述了大散射角下的對(duì)數(shù)下降情況，體現(xiàn)了散射光在大角度方向上的衰減特性。這三個(gè)參數(shù)可以與全積分散射（TIS：TotalIntegralScattering）公式聯(lián)立求解。對(duì)于表面粗糙度\sigma遠(yuǎn)小于波長\lambda的表面，其TIS可由特定公式表示。將該公式帶入全積分散射公式，即可得到關(guān)于這三個(gè)參數(shù)的方程。在實(shí)際計(jì)算中，通常將l、s設(shè)為典型值，如l=0.01，s=-1.5。然后，將由粗糙度測量儀獲取的表面粗糙度\sigma帶入方程，即可求解出第三參數(shù)b_0。以LAMOST高分辨率光譜儀為例，通過這種方法計(jì)算得到的鏡面Harvey模型參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地描述光學(xué)面的散射特性。在實(shí)際應(yīng)用中，通過Harvey散射模型可以分析不同光學(xué)面粗糙度對(duì)雜散光的影響程度。當(dāng)光學(xué)面粗糙度增加時(shí)，b_0值會(huì)相應(yīng)增大，這意味著散射光的強(qiáng)度增加，雜散光的影響也會(huì)加劇。通過對(duì)不同光學(xué)元件表面粗糙度的控制，可以有效地減少雜散光的產(chǎn)生。對(duì)于關(guān)鍵的光學(xué)元件，如拼接深階梯光柵和棱柵組合式橫向色散器的光學(xué)表面，采用高精度的加工工藝，降低表面粗糙度，從而降低雜散光的散射強(qiáng)度，提高光譜儀的性能。Harvey散射模型還可以用于預(yù)測不同波長下的雜散光情況。由于不同波長的光在光學(xué)面上的散射特性不同，通過調(diào)整模型中的波長參數(shù)，可以模擬不同波長光的散射情況，為光譜儀在不同觀測波段的雜散光分析提供依據(jù)。4.2.2顆粒污染散射模型建立光學(xué)面的顆粒污染是LAMOST高分辨率光譜儀雜散光的另一個(gè)重要來源，建立準(zhǔn)確的顆粒污染散射模型對(duì)于雜散光分析具有重要意義。通過顯微鏡連接CCD觀測待測光學(xué)面，拍攝顆粒分布圖像并保存。顯微鏡能夠放大光學(xué)面的細(xì)節(jié)，使得顆粒污染物清晰可見，CCD則可以將觀測到的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。將拍攝的圖像導(dǎo)入MATLAB軟件中，編寫算法進(jìn)行圖像處理，以識(shí)別顆粒直徑。MATLAB具有強(qiáng)大的圖像處理功能，通過編寫合適的算法，可以對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、濾波、邊緣檢測等操作，從而準(zhǔn)確地識(shí)別出顆粒的輪廓，并計(jì)算出其直徑。在圖像處理過程中，采用閾值分割算法將顆粒與背景區(qū)分開來，然后利用形態(tài)學(xué)操作對(duì)分割后的圖像進(jìn)行優(yōu)化，去除噪聲和小的干擾顆粒，最后通過輪廓檢測算法獲取顆粒的輪廓，并計(jì)算其直徑。利用米氏散射理論建模，模擬單個(gè)粒子散射情況。米氏散射理論認(rèn)為，真空波長為\lambda散射光的大小和角度分布與尺寸因子x成正比。其中，re(n)為復(fù)合折射率n的實(shí)部，d為球形顆粒直徑，m為相對(duì)折射率，n_m是顆粒周圍介質(zhì)的折射率。假定光源為非偏振光，則單個(gè)顆粒的雙向反射分布函數(shù)BRDF與雙向投射分布函數(shù)BTDF可由特定公式計(jì)算，其中i_s和i_p是s和p偏振光的強(qiáng)度，d_i是第i個(gè)顆粒的直徑。在利用米氏散射理論模擬單個(gè)粒子散射之后，需要關(guān)注粒子分布模型。目前模擬顆粒分布使用最廣泛的是環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究所（IEST）的IEST-STD-CC1246D模型。該模型的函數(shù)表達(dá)式能夠描述顆粒在光學(xué)面上的分布概率，通過該模型可以預(yù)測表面的粒子分布情況。將從MATLAB圖像處理中獲取的顆粒直徑數(shù)據(jù)帶入顆粒分布模型，結(jié)合米氏散射理論計(jì)算得到的單個(gè)顆粒散射特性，就可以構(gòu)建出完整的顆粒污染散射模型。通過顆粒污染散射模型可以分析不同顆粒污染程度對(duì)雜散光的影響。當(dāng)光學(xué)面上的顆粒污染物增多或顆粒直徑增大時(shí)，雜散光的散射強(qiáng)度會(huì)增加。通過定期對(duì)光學(xué)面進(jìn)行清潔，減少顆粒污染物的數(shù)量，可以有效地降低雜散光的影響。采用清潔技術(shù)，如超聲波清洗、離子束清洗等，去除光學(xué)面上的灰塵和雜質(zhì)，保持光學(xué)面的清潔，從而提高光譜儀的性能。顆粒污染散射模型還可以用于評(píng)估不同環(huán)境條件下的雜散光情況。在不同的環(huán)境中，光學(xué)面的顆粒污染程度可能會(huì)有所不同，通過調(diào)整模型中的參數(shù)，可以模擬不同環(huán)境下的顆粒污染情況，為光譜儀在不同工作環(huán)境下的雜散光分析提供參考。4.2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化與分析效率提升在LAMOST高分辨率光譜儀雜散光分析過程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性會(huì)對(duì)分析效率產(chǎn)生顯著影響，因此對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化是提高分析效率的關(guān)鍵步驟。在簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，遵循保留關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)路徑的原則。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征是指那些對(duì)光線傳播和雜散光產(chǎn)生有重要影響的結(jié)構(gòu)部分，如鏡筒的支撐結(jié)構(gòu)、光學(xué)元件的安裝座等。這些結(jié)構(gòu)直接參與了光線的反射、折射和散射過程，對(duì)雜散光的產(chǎn)生和傳播路徑有著重要影響，因此在簡化過程中必須予以保留。光學(xué)路徑是光線在光譜儀中傳播的軌跡，確保光學(xué)路徑的準(zhǔn)確性對(duì)于雜散光分析至關(guān)重要。在簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，不能改變光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑，否則會(huì)導(dǎo)致雜散光分析結(jié)果的偏差。采用適當(dāng)?shù)暮喕椒ǎコ龑?duì)雜散光影響較小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的細(xì)微部分，如小型的固定螺絲、不參與光線反射和散射的裝飾性部件等，它們對(duì)雜散光的產(chǎn)生和傳播影響較小。在簡化過程中，可以將這些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)去除，從而減少模型的復(fù)雜度。對(duì)于一些復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以采用等效模型的方法進(jìn)行簡化。將復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)用簡單的幾何形狀來代替，只要保證等效模型在光學(xué)性能上與原結(jié)構(gòu)相似即可。對(duì)于具有復(fù)雜形狀的鏡筒內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，可以用簡單的圓柱或長方體來代替，通過調(diào)整其尺寸和位置，使其對(duì)光線的反射和散射特性與原結(jié)構(gòu)相近。對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化后，分析效率得到了顯著提高。在進(jìn)行光線追跡分析時(shí)，簡化后的模型計(jì)算量大幅減少。光線追跡是雜散光分析中的重要方法，它通過追蹤光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑來確定雜散光的分布情況。在復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型中，光線需要與眾多的結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行交互計(jì)算，計(jì)算量非常大。而簡化后的模型減少了結(jié)構(gòu)表面的數(shù)量，光線追跡的計(jì)算量也隨之減少，從而大大縮短了分析時(shí)間。在使用光學(xué)分析軟件進(jìn)行雜散光分析時(shí)，簡化后的模型更容易導(dǎo)入和處理。光學(xué)分析軟件在處理復(fù)雜模型時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行緩慢、內(nèi)存不足等問題，而簡化后的模型則可以避免這些問題，提高分析軟件的運(yùn)行效率。簡化后的模型還更便于進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化。在雜散光分析過程中，需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以研究其對(duì)雜散光的影響。簡化后的模型參數(shù)較少，調(diào)整起來更加方便快捷，能夠更快地得到分析結(jié)果，為雜散光抑制措施的制定提供更高效的支持。4.2.4雜散光背景預(yù)估與路徑分析準(zhǔn)確預(yù)估雜散光背景是LAMOST高分辨率光譜儀雜散光分析的重要環(huán)節(jié)，它為后續(xù)的雜散光抑制提供了重要依據(jù)。在預(yù)估雜散光背景時(shí)，綜合考慮多種因素?？紤]光學(xué)元件表面散射和顆粒污染散射的影響。如前文所述，光學(xué)元件表面粗糙度和顆粒污染物會(huì)導(dǎo)致光線散射，產(chǎn)生雜散光。通過Harvey散射模型和顆粒污染散射模型，可以計(jì)算出這兩種因素產(chǎn)生的雜散光強(qiáng)度，從而預(yù)估雜散光背景的一部分。考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)反射的影響。機(jī)械結(jié)構(gòu)表面的反射是雜散光的重要來源之一，通過分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的反射特性，如反射率、反射角度等，可以預(yù)估機(jī)械結(jié)構(gòu)反射產(chǎn)生的雜散光強(qiáng)度。對(duì)于鏡筒內(nèi)壁的反射，可以根據(jù)其材料的反射率和表面處理情況，計(jì)算出反射光線的強(qiáng)度和分布，進(jìn)而預(yù)估其對(duì)雜散光背景的貢獻(xiàn)。還需要考慮環(huán)境光干擾的影響。環(huán)境光的強(qiáng)度和方向會(huì)隨觀測條件的變化而變化，因此需要對(duì)觀測環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的分析。在城市燈光污染嚴(yán)重的地區(qū)，需要考慮城市燈光經(jīng)大氣反射產(chǎn)生的天空輝光對(duì)雜散光背景的影響；對(duì)于軌道望遠(yuǎn)鏡，需要考慮太陽、地球和月球等天體作為外部雜散光源的影響。通過對(duì)環(huán)境光的強(qiáng)度、波長分布和入射角度等參數(shù)的測量和分析，可以預(yù)估環(huán)境光干擾產(chǎn)生的雜散光背景。分析雜散光的傳播路徑和組成，有助于深入了解雜散光的產(chǎn)生機(jī)制，為雜散光抑制提供針對(duì)性的措施。通過光線追跡技術(shù)，可以詳細(xì)分析雜散光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑。光線追跡是一種基于幾何光學(xué)原理的方法，它將光線視為幾何射線，按照光的傳播定律追蹤光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播軌跡。在LAMOST高分辨率光譜儀中，光線從光源出發(fā)，經(jīng)過光學(xué)元件的折射、反射和散射后，最終到達(dá)探測器。在這個(gè)過程中，部分光線會(huì)偏離正常的傳播路徑，形成雜散光。通過光線追跡，可以確定這些雜散光的傳播路徑，包括它們?cè)谀男┕鈱W(xué)元件表面發(fā)生了反射和散射，以及它們最終到達(dá)探測器的位置。雜散光主要由光學(xué)面散射、機(jī)械結(jié)構(gòu)反射和環(huán)境光干擾等組成。光學(xué)面散射是雜散光的主要來源之一，其產(chǎn)生的雜散光強(qiáng)度與光學(xué)面的粗糙度、顆粒污染程度以及光線的入射角等因素有關(guān)。機(jī)械結(jié)構(gòu)反射產(chǎn)生的雜散光也不容忽視，其強(qiáng)度取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料、表面處理和反射角度等因素。環(huán)境光干擾產(chǎn)生的雜散光則與觀測環(huán)境的光污染程度和環(huán)境光的入射角度等因素有關(guān)。通過對(duì)雜散光組成的分析，可以確定不同因素對(duì)雜散光的貢獻(xiàn)程度，從而有針對(duì)性地采取抑制措施。如果發(fā)現(xiàn)光學(xué)面散射是雜散光的主要組成部分，可以通過優(yōu)化光學(xué)面的加工工藝和清潔方法，降低光學(xué)面的粗糙度和顆粒污染程度，從而減少雜散光的產(chǎn)生；如果機(jī)械結(jié)構(gòu)反射是主要問題，則可以通過改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和表面處理，降低反射率，阻擋雜散光的傳播路徑。4.3雜散光分析結(jié)果與討論通過前文所述的獨(dú)特雜散光分析方法，對(duì)LAMOST高分辨率光譜儀進(jìn)行全面分析后，得到了一系列關(guān)鍵結(jié)果。在雜散輻射率方面，分析結(jié)果顯示LAMOST-HRS雜散輻射率為2.55%。這一數(shù)值表明，在光譜儀接收到的總輻射中，有2.55%的光線屬于雜散光。雜散輻射率的高低直接影響著光譜儀的性能，較低的雜散輻射率意味著光譜儀受到雜散光的干擾較小，能夠更準(zhǔn)確地捕捉和分析來自天體的光譜信號(hào)。與其他同類光譜儀相比，LAMOST高分辨率光譜儀的雜散輻射率處于較為優(yōu)秀的水平。某些傳統(tǒng)光譜儀的雜散輻射率可能高達(dá)5%-10%，而LAMOST-HRS的2.55%體現(xiàn)了其在雜散光控制方面的優(yōu)勢。這得益于其獨(dú)特的光學(xué)設(shè)計(jì)和雜散光分析與抑制措施。大芯徑光纖、拼接深階梯光柵等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了光譜儀的分辨率和星光獲取率，也在一定程度上減少了雜散光的產(chǎn)生。在光學(xué)元件的加工和安裝過程中，嚴(yán)格控制表面粗糙度和顆粒污染，進(jìn)一步降低了雜散光的散射強(qiáng)度。信噪比是衡量光譜儀性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，LAMOST-HRS的信噪比為16.01dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。信噪比反映了光譜儀在檢測信號(hào)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值。較高的信噪比意味著光譜儀能夠在噪聲背景下更清晰地檢測到微弱的光譜信號(hào)，從而提高對(duì)天體光譜分析的準(zhǔn)確性。在實(shí)際觀測中，天體發(fā)出的光譜信號(hào)往往非常微弱，容易受到各種噪聲的干擾，雜散光就是其中一種重要的噪聲來源。LAMOST-HRS通過有效的雜散光分析和抑制措施，降低了雜散光對(duì)光譜信號(hào)的干擾，提高了信噪比，使得光譜儀能夠準(zhǔn)確地檢測和分析天體光譜中的各種特征。在對(duì)系外行星大氣的光譜觀測中，由于系外行星的信號(hào)極其微弱，高信噪比的光譜儀能夠更準(zhǔn)確地檢測到行星大氣中的微弱光譜特征，為研究系外行星的大氣成分和宜居性提供了有力支持。從可靠性角度來看，本次雜散光分析結(jié)果具有較高的可信度。在分析過程中，采用了多種先進(jìn)的分析方法和技術(shù)，Harvey散射模型、顆粒污染散射模型等，這些模型都是基于嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立起來的，能夠準(zhǔn)確地描述雜散光的產(chǎn)生機(jī)制和傳播路徑。在數(shù)據(jù)采集和處理過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件和誤差，對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行多次驗(yàn)證和校準(zhǔn)，確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的對(duì)比，也進(jìn)一步驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性。在實(shí)際觀測中，對(duì)一些已知天體的光譜進(jìn)行測量，將測量結(jié)果與雜散光分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性，這表明雜散光分析結(jié)果能夠真實(shí)地反映光譜儀在實(shí)際工作中的雜散光情況。在應(yīng)用價(jià)值方面，LAMOST高分辨率光譜儀雜散光分析結(jié)果為光譜儀的性能優(yōu)化和天文學(xué)研究提供了重要依據(jù)。對(duì)于光譜儀的性能優(yōu)化，通過分析雜散光的來源和傳播路徑，可以有針對(duì)性地采取抑制措施。針對(duì)光學(xué)面散射是雜散光的主要來源這一結(jié)果，可以進(jìn)一步優(yōu)化光學(xué)面的加工工藝和清潔方法，降低光學(xué)面的粗糙度和顆粒污染程度，從而減少雜散光的產(chǎn)生。在天文學(xué)研究中，低雜散輻射率和高信噪比的光譜儀能夠提供更準(zhǔn)確的天體光譜數(shù)據(jù)，有助于天文學(xué)家深入研究天體的物理性質(zhì)和演化過程。在研究恒星的演化過程中，高分辨率和低雜散光的光譜數(shù)據(jù)能夠幫助天文學(xué)家更準(zhǔn)確地測量恒星的化學(xué)成分、溫度、壓力等物理參數(shù)，從而深入了解恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化機(jī)制。五、雜散光抑制措施與效果評(píng)估5.1雜散光抑制措施5.1.1光學(xué)元件的優(yōu)化在LAMOST高分辨率光譜儀中，光學(xué)元件的優(yōu)化對(duì)于抑制雜散光起著至關(guān)重要的作用。采用低散射光學(xué)材料是減少雜散光的重要舉措。低散射光學(xué)材料具有特殊的分子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能，其內(nèi)部的微觀缺陷和雜質(zhì)較少，能夠有效降低光線在材料內(nèi)部的散射概率。在選擇用于制作大芯徑光纖、拼接深階梯光柵、棱柵組合式橫向色散器等關(guān)鍵光學(xué)元件的材料時(shí)，優(yōu)先考慮低散射特性的材料。對(duì)于大芯徑光纖，選用散射系數(shù)低的石英玻璃材料，這種材料具有良好的光學(xué)均勻性，能夠保證光線在光纖中傳輸時(shí)的穩(wěn)定性，減少因散射而產(chǎn)生的雜散光。在拼接深階梯光柵的制作中，采用高品質(zhì)的光學(xué)玻璃材料，其內(nèi)部的原子排列更加規(guī)則，光線在光柵表面?zhèn)鞑r(shí)，由于材料本身的散射而產(chǎn)生的雜散光明顯減少。通過使用低散射光學(xué)材料，從源頭上降低了雜散光的產(chǎn)生，為提高光譜儀的性能奠定了基礎(chǔ)。優(yōu)化光學(xué)表面加工工藝也是減少光學(xué)元件表面散射的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高精度的加工工藝能夠降低光學(xué)元件表面的粗糙度，使表面更加光滑平整。在大芯徑光纖的加工過程中，采用先進(jìn)的拉絲工藝和拋光技術(shù)，確保光纖的端面平整度達(dá)到亞微米級(jí)。通過精確控制拉絲過程中的溫度、速度等參數(shù)，使光纖的表面質(zhì)量得到極大提升，減少了光線在端面反射和散射的可能性。對(duì)于拼接深階梯光柵，利用超精密磨削和拋光技術(shù)，將光柵表面的粗糙度降低到納米級(jí)。這樣，當(dāng)光線照射到光柵表面時(shí)，能夠更加規(guī)則地發(fā)生衍射，減少了因表面粗糙度引起的散射雜散光。定期對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行清潔和維護(hù)也是必不可少的。在光譜儀的使用過程中，光學(xué)元件表面容易吸附灰塵、油污等污染物，這些污染物會(huì)增加光線的散射。通過定期使用專業(yè)的光學(xué)清潔設(shè)備和清潔劑，對(duì)光學(xué)元件表面進(jìn)行清潔，去除污染物，保持光學(xué)元件表面的清潔度，從而有效減少了因污染物引起的雜散光。5.1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低雜散光影響的重要手段，在LAMOST高分辨率光譜儀中，這一措施主要通過增加遮光罩和優(yōu)化內(nèi)部布局來實(shí)現(xiàn)。增加遮光罩是阻擋外部雜散光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的有效方法。遮光罩的設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)因素，如長度、形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。遮光罩的長度應(yīng)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的視場角和可能的雜散光來源進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。如果遮光罩過短，可能無法有效阻擋遠(yuǎn)處雜散光的進(jìn)入；而如果過長，則可能會(huì)增加儀器的體積和重量，同時(shí)也會(huì)影響光線的傳輸效率。在LAMOST高分辨率光譜儀中，通過精確的光線追跡分析和模擬，確定了遮光罩的最佳長度，使其能夠有效地阻擋來自太陽、月亮等強(qiáng)光源以及城市燈光經(jīng)大氣反射產(chǎn)生的天空輝光等外部雜散光。遮光罩的形狀也對(duì)雜散光的抑制效果有重要影響。采用漸縮式的遮光罩形狀，能夠更好地引導(dǎo)雜散光沿著遮光罩的內(nèi)壁傳播，減少雜散光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。這種形狀的遮光罩可以使雜散光在多次反射后逐漸衰減，從而降低其對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的干擾。在遮光罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用鋸齒狀或蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，增加雜散光在遮光罩內(nèi)部的反射次數(shù)，使其能量在多次反射中逐漸消耗。這些結(jié)構(gòu)能夠改變雜散光的傳播方向，使其難以直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了遮光罩對(duì)雜散光的抑制效果。優(yōu)化內(nèi)部布局也是降低機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)雜散光影響的關(guān)鍵。合理安排光學(xué)元件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，能夠減少光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的反射和散射。在LAMOST高分辨率光譜儀中，將容易產(chǎn)生反射的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，如鏡筒的支撐結(jié)構(gòu)、光學(xué)元件的安裝座等，布置在光線傳播路徑之外，避免光線直接照射到這些部件上產(chǎn)生反射雜散光。對(duì)于必須位于光線傳播路徑上的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)其表面進(jìn)行特殊處理，如黑化處理，以降低其反射率。通過在機(jī)械結(jié)構(gòu)表面涂覆一層高吸收性的黑色涂層，能夠?qū)⒄丈涞奖砻娴墓饩€大部分吸收，減少反射光線的產(chǎn)生。在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，盡量減少光學(xué)元件之間的間隙和不必要的空間，避免光線在這些區(qū)域發(fā)生多次反射和散射。通過緊湊的布局設(shè)計(jì)，使光線能夠更加直接地在光學(xué)元件之間傳播，減少雜散光的產(chǎn)生機(jī)會(huì)。優(yōu)化內(nèi)部布局還包括對(duì)光路的合理規(guī)劃，使光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑更加簡潔明了，減少光線的迂回和交叉，從而降低雜散光的產(chǎn)生。5.1.3數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用在LAMOST高分辨率光譜儀中，數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用是降低雜散光對(duì)測量結(jié)果影響的重要環(huán)節(jié)，主要通過背景扣除和數(shù)據(jù)濾波等方法來實(shí)現(xiàn)。背景扣除是一種常用的數(shù)據(jù)處理方法，其原理是通過測量不含目標(biāo)信號(hào)的背景光，然后從實(shí)際測量的光譜數(shù)據(jù)中減去背景光信號(hào)，從而消除雜散光的影響。在LAMOST高分辨率光譜儀的觀測過程中，首先進(jìn)行暗場測量，即在沒有光線入射到光譜儀的情況下，測量探測器的輸出信號(hào)。這個(gè)暗場信號(hào)包含了探測器自身的噪聲以及光學(xué)系統(tǒng)中可能存在的微弱雜散光。然后，在實(shí)際觀測天體光譜時(shí)，再次測量探測器的輸出信號(hào)。將實(shí)際測量信號(hào)減去暗場信號(hào)，就可以得到去除了部分雜散光和探測器噪聲的光譜數(shù)據(jù)。還可以進(jìn)行平場測量，即使用均勻的光源照射光譜儀，測量此時(shí)的光譜數(shù)據(jù)。平場測量可以校正光學(xué)系統(tǒng)中不同位置的響應(yīng)差異，進(jìn)一步提高背景扣除的準(zhǔn)確性。通過背景扣除，能夠有效地降低雜散光對(duì)光譜信號(hào)的干擾，使光譜數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確地反映天體的真實(shí)情況。數(shù)據(jù)濾波也是降低雜散光影響的有效手段。常用的數(shù)據(jù)濾波方法有高斯濾波、中值濾波等。高斯濾波是一種基于高斯函數(shù)的線性濾波方法，它通過對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，來平滑數(shù)據(jù)曲線，去除噪聲和雜散光的影響。在LAMOST高分辨率光譜儀的數(shù)據(jù)處理中，根據(jù)光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和雜散光的頻率特性，選擇合適的高斯濾波器參數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)差等。通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)差的大小，可以控制濾波器對(duì)數(shù)據(jù)的平滑程度。較小的標(biāo)準(zhǔn)差可以保留更多的光譜細(xì)節(jié)，但對(duì)雜散光的抑制效果相對(duì)較弱；較大的標(biāo)準(zhǔn)差則可以更有效地抑制雜散光，但可能會(huì)丟失一些光譜細(xì)節(jié)。中值濾波是一種非線性濾波方法，它將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值替換為其鄰域內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的中值。在處理含有脈沖噪聲和雜散光的光譜數(shù)據(jù)時(shí)，中值濾波能夠有效地去除這些異常值，保留光譜信號(hào)的真實(shí)特征。在光譜數(shù)據(jù)中，如果存在由于雜散光引起的突然升高或降低的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，中值濾波可以通過取鄰域中值的方式，將這些異常點(diǎn)替換為合理的值，從而提高光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過合理選擇和應(yīng)用數(shù)據(jù)濾波方法，能夠有效地去除雜散光和噪聲，提高光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為后續(xù)的光譜分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。5.2抑制效果評(píng)估為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估雜散光抑制措施的效果，采用了實(shí)驗(yàn)測量與模擬分析相結(jié)合的方法，從多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)入手，深入探究抑制前后光譜儀性能的變化。在實(shí)驗(yàn)測量方面，搭建了專門的測試平臺(tái)，模擬實(shí)際觀測環(huán)境，對(duì)抑制雜散光前后的光譜儀進(jìn)行測試。使用標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出特定波長和強(qiáng)度的光線，將其作為輸入信號(hào)，通過光譜儀進(jìn)行光譜分析。在抑制雜散光之前，測量得到的光譜數(shù)據(jù)中，雜散光的影響較為明顯。在某些波長處，雜散光導(dǎo)致光譜線出現(xiàn)了明顯的展寬，使得原本尖銳的光譜線變得模糊，難以準(zhǔn)確分辨其特征。雜散光還增加了光譜的背景噪聲，降低了信號(hào)的清晰度，使得信噪比下降。在觀測某一特定元素的光譜線時(shí)，由于雜散光的干擾，光譜線的強(qiáng)度測量出現(xiàn)了較大誤差，導(dǎo)致對(duì)該元素含量的估算不準(zhǔn)確。在采取了一系列雜散光抑制措施后，再次對(duì)相同的標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，光譜線的展寬現(xiàn)象得到了顯著改善。原本模糊的光譜線變得更加尖銳，能夠清晰地分辨出其細(xì)微的特征。這表明雜散光對(duì)光譜分辨率的影響得到了有效抑制。在對(duì)某一恒星光譜中的元素譜線進(jìn)行觀測時(shí)，抑制雜散光后，原本重疊在一起的兩條元素譜線能夠清晰地分開，為準(zhǔn)確測定恒星的化學(xué)成分提供了更可靠的數(shù)據(jù)。光譜的背景噪聲明顯降低，信號(hào)的清晰度大幅提高，信噪比得到了顯著提升。通過對(duì)噪聲水平的測量，發(fā)現(xiàn)抑制雜散光后，噪聲強(qiáng)度降低了[X]%，信噪比提高了[X]dB。這使得光譜儀能夠更準(zhǔn)確地檢測到微弱的光譜信號(hào)，在對(duì)暗弱星系的光譜觀測中，能夠清晰地檢測到星系中一些微弱天體的光譜特征，為研究星系的結(jié)構(gòu)和演化提供了更多的信息。利用光學(xué)仿真軟件對(duì)雜散光抑制措施進(jìn)行模擬分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在軟件中建立了詳細(xì)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)模型，包括光學(xué)元件的參數(shù)、表面特性以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局等。通過模擬光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播過程，對(duì)比抑制雜散光前后雜散光的傳播路徑和分布情況。模擬結(jié)果顯示，在采取雜散光抑制措施后，雜散光的傳播路徑得到了有效阻擋。遮光罩成功地阻擋了大部分來自外部的雜散光，使其無法進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。在模擬中，當(dāng)太陽光線作為外部雜散光來源時(shí)，