空间太阳望远镜中Hα双折射滤光器的设计

Hα双折射滤光器在空间太阳望远镜[1]飞行期间用于全日面单色像监测。太阳色球层发出的Hα谱线(656.3 nm)对天文学家来说是非常重要的,它包含许多太阳活动现象的信息,如日饵、暗条、耀斑的发生等。通过对它的观测,通常能提供耀斑的形态、级别和大致辐射强度及形态演化[2]。目前,用于太阳单色像观测的滤光系统主要有3种形式:第1种是基于Fabry-Perot标准器原理;第2种是通过衍射光栅来滤光;第3种就是利用偏振光干涉原理滤光的双折射滤光器[3],法国天文学家Lyot首先研制成这种滤光器,因此也称Lyot滤光器[2]。这种系统可以得到极窄带的太阳视频单色像,时间分辨率高,对于观测太阳爆发等短期活动非常有利。在地基的Hα双折射滤光器中,取多级Lyot滤光器,晶体厚度以2倍递增的原则排列,即可得到Hα双折射滤光器[4]。通过旋转每一级Lyot滤光器中的旋转1/2波片得到所需要的Hα谱线,而波片的旋转由步进电机及相关传动机构来带动,因此整个仪器的结构复杂、体积大、可靠性低。这些恰恰是空间仪器需要克服的缺点。为此,提出了新的设计思想,在实验室中调整波片的方位角并固定至理论计算得到的位置,使得滤光器在656.3nm波长处透过率是最大值。在实际使用中波片不再需要调节,使整个仪器结构简化、体积减小、质量减轻、可靠性增加;同时对密封和恒温的设计也起到了简化的作用。实现这个设计的关键就是在实验室精确模拟实际观测中的状态。

1　光学系统

1.1　双折射滤光器原理

将一片双折射晶体b放在两偏振片P1与P2中间,两偏振片光轴相互平行或垂直,晶体b的光轴与P1、P2光轴成45°夹角,如图1所示。那么振幅相同的寻常光(o光)和非寻常光(e光)会产生偏振干涉。

在单级Lyot滤光器[5]中, P1与P2光轴平行时,其透过率为

可以看出:当双折射晶体确定时,透过率只是波长的函数。因此,可以通过偏振光干涉的原理实现滤光的功能。取多级Lyot滤光器,晶体厚度以2倍递增的原则排列,则其总的透过率为

其中:N为滤光器中Lyot级的级数,d为最薄晶体的厚度。

1.2　光学元件及参数

本文研制的Hα双折射滤光器由5级冰洲石和2级石英晶体组成,每1级由1/4波片和1/2波片组成调波带结构[3]。因为太阳可以看成是一个具有32′×32′视场的面光源,它通过望远镜入射到滤光器系统时必定存在一个入射角,而晶体的延迟是入射角的函数,所以滤光器会因为入射角的影响而产生波带漂移。为了克服这一缺点,把晶体平分剖开放在光路中,使它们的光轴互相垂直,中间加入1片1/2波片,组成宽视场结构[3]。这样,当前半部分晶体因入射角存在而延迟增加时,后半部分晶体则会相应减少同一量值,从而补偿入射角对整个滤光器延迟的影响。除最薄一级晶体外,其余各级均为宽视场结构。滤光器光学元件排列如图2所示。