双折射滤光器的误差分析与性能优化

　　1　引　言

　　近20年来,美国马歇尔飞行中心、夏威夷密斯太阳天文台、大熊湖天文台、日本国立天文台和中国科学院国家天文台怀柔太阳观测站等已成功观测了太阳光球局部区矢量磁场,而以美国威尔逊山天文台、基特峰国立太阳天文台为代表的地基太阳光学望远镜和空间SOHO卫星上的MDI望远镜等仪器又提供了大量的全日面纵向磁场观测资料,为发掘太阳大尺度磁场的内在规律提供了重要契机,在研究太阳磁场的形成机制方面发挥了不可估量的作用。

　　2006年,国家天文台怀柔太阳观测站全日面磁场望远镜的投入运行,又为人们提供了研究在太阳内部形成磁场的新途径和验证发电机理论的新依据[1-2]。这台仪器的纵向磁场测量精度约为±(5×) T,横向磁场测量精度约为±(150×10-4) T[3]。全日面磁场的观测拓展了局部区观测的视场,同时也对双折射滤光器提出了更高的要求,即保证在整个日面上(而不是局部区)都是用同一波长观测磁场。对滤光器各项技术指标的误差分析,找出影响宽视场设计的问题所在,将为太阳磁场望远镜的进一步发展奠定坚实的基础。

　　目前,已有一些文献研究了双折射滤光器的离轴效应和性能优化[4-6],取得了许多有价值的科研成果,但完整的误差分析还未见报道。本文应用文[7]中方法,编写了一套偏振光学计算软件,不仅追踪光线的传播轨迹,而且考虑光束之间的干涉现象,取消了为简化运算而采用的近似假设,研究了光线在双折射晶体中的传输过程,精确分析了多种误差项对透过带漂移、展宽、极大值和极小值等主要技术指标的影响,这对`滤光器的研制具有重要意义。

　　2　全日面磁场望远镜的视场效应问题

　　怀柔太阳观测站全日面磁场望远镜的观测资料已经向国内外的太阳物理学家开放。本项工作完成了多普勒速度对工作谱线影响的数据矫正,圆偏振对线偏振交叉串扰的数据矫正和上述数据矫正方法对偏振测量带来的误差分析,但偏振信号Stokes V沿全日面呈现不均匀分布始终是困扰该项研究的难题。图1是透过带在偏离线心-0.006 nm和+0.006 nm处观测到的全日面Stokes V,其中左上和右下区域比较亮,而右上和左下区域比较暗。研究发现,偏振信号是由真实信号和本底信号两部分组成,而本底信号是光强信号Stokes I串扰到偏振信号Stokes V中造成的[8]。图2是Stokes V沿图1中白线的分布,很明显真实信号被光强信号调制过。本文对引起这种现象的原因进行了分析。

　　3　误差影响

　　本文选用的样本为全日面磁场滤光器中的第三级,结构如图3所示。p1、p2是平行偏振片,b1、b2是厚度为8. 803 mm的冰洲石(no=1.662 82, ne=1.488 64),中间插入与晶体光轴成45°的1/2波片组成了宽视场部分,b2后面是一个光轴与偏振轴平行的1/4波片和一个可以360°旋转的1/2波片,调整1/2波片的旋转角度,能够补偿因温度变化和误差项带来的透过带漂移[9]。图4是光线垂直入射、偏振元件没有误差时的透过带,这时中心波长位于532.419 nm,对应的极大值Imax,0=1,带宽为0.092 4 nm,极小值Imin,0=0。