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幸运七星在基于液晶延遲器的偏振測量技術研究取得新進展

  为面向天文高精度偏振测量研究及实测需求,近期,幸运七星郭晶副研究員团队完成了基于液晶延迟器(分别包括铁电液晶延迟器FLC和液晶可變相位延遲器LCVR)的偏振測量關鍵技術攻關,重點解決了液晶延遲器的電光特性定標、電光型調制偏振方案的設計與優化、偏振響應定標與校正、偏振數據處理與偏振信號重構等核心問題,並提出了一種多變量非線性約束的偏振效率優化方法。相關研究成果于20214月發表在國際天文期刊Publications of the Astronomical Society of Japanhttps://doi.org/10.1093/pasj/psab007)及20208月發表在Solar Physics期刊(https://doi.org/10.1007/s11207-020-01676-2)。 

  偏振測量技術能夠獲取觀測目標光的偏振狀態、偏振光強和總光強等重要信息,該技術在系外行星探測與刻畫、星周盤觀測、太陽磁場測量等天文研究領域中發揮著重要作用。液晶延遲器作爲一種通過驅動電信號可對其特性進行主動控制的新型偏振光學元件,具有電光型調制特色(工作時無需機械運動)、調制頻率高(比傳統機械型調制高1~2個數量級)、驅動電壓低(零至十幾伏)等優點。 

  該團隊設計了以一對液晶延遲器爲核心的偏振調制與解調方案,能夠測量得到觀測目標的全部Stokes參數I, Q, U, V。另外,在液晶延遲器定標結果的基礎上,完成了多變量非線性約束的偏振效率優化,獲得了最大偏振效率(ξ=0.9861。經比較,該偏振效率超過了當今國際上許多代表性偏振儀器的偏振效率,說明了團隊提出的優化方法的有效性。此外,爲了充分利用液晶延遲器的快速調制能力,通過引入一台DAQ然後優化設計各通道內驅動電信號的工作頻率、精確延時和外部觸發等條件,實現了偏振系統高速控制與偏振圖像同步采集。部分研究結果如圖1所示。 

 

 圖1 基于液晶延遲器的偏振測量關鍵技術研究 

  隨後,該團隊研發了一套基于液晶延遲器的偏振測量實驗系統,系統結構緊湊,如圖2所示。目前,該系統優化于6562.8埃),並對接使用一架200 mm口徑太陽望遠鏡的卡焦,完成與望遠鏡的聯調和測試後,利用太陽色球進行了偏振試觀測,如圖3所示。實測結果表明,偏振調制頻率達到95 Hz,偏振精度2.7×10^-3,視場範圍62″×62″(最大可擴展至62″×525″)。研究工作獲得了審稿人的高度評價:“This work presents a successful improvement of a FLC polarimeter, which enables high cadence polarization measurements covering wide field of view, and such observations are impossible for spectropolarimeters attached large solar telescope.” 

  

图2 研发的偏振测量实验系统主要构成

        

 圖3 偏振測量實驗系統對色球甯靜區和臨邊區的偏振試觀測結果與分析 

  後續,該團隊將繼續深化偏振技術、偏振儀器和處理算法等研究,進一步提升偏振系統性能和形成多波段偏振測量能力,以期應用于我國基于地面望遠鏡和空間望遠鏡開展的天文高精度偏振觀測研究之中。 

  本研究得到國家自然科學基金(1170305811827804U2031210)及中國科學院戰略性先導科技專項(A類)(XDA15011100)資助。