Диссертация (1103493), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В этой схеме былопредложено заменить "искусственную Луну" фазовой маской – прозрачнымдиском (в самом простом варианте), радиус которого составляет часть (20…40%)радиуса центрального максимума функции Эйри (функции рассеяния точки) икоторый сдвигает фазу прошедшего через него света на π. В результате дифракциизвездный свет значительно ослабляется (на 6 и более порядков по результатамрасчетов) в центре светового луча. Яркое кольцо на краю луча, как и в случае ссолнечным коронографом, устраняется диафрагмой Лио.
Основными недостаткамиданной схемы являются критичная зависимость возможности наблюденияэкзопланеты от радиуса звезды, а также хроматизм и высокие требования ккачеству изготовления (форма и толщина) центрального элемента схемы – фазовойпластинки, вносящей фазовый сдвиг.Дальнейшая модификация схемы коронографа Лио с помощью фазовыхмасок была предложена в 2003 году [65, 66]. Изменение заключалось виспользовании маски "фазовый нож" (в англоязычной литературе “phase knife”),составленной из двух половин, одна из которых вносила сдвиг фазы на πотносительно другой. В других вариантах фазовая маска делилась на четыре [67,2968, 69, 70] или восемь [71] частей, которые через одну вносили сдвиг по фазе на π(в англоязычной литературе “4-qadrant phase mask”, “FQPM”, “4QPM”, “8-octantphase mask”, “EOPM”, “8OPM”).
В результате дифракции проходящий через такиефазовые маски свет звезды значительно ослабляется (гасится). Яркое кольцо,возникающее за маской из-за дифракции на крае входной апертуры и границахмаски, устраняется диафрагмой Лио. Эти схемы, как и предыдущий варианттребуют высокого качества изготовления фазовых масок и работают хроматично.К тому же они значительно влияют на свет планеты, если ее изображение близко кграницам частей маски.Еще один вариант модификация схемы солнечного коронографа Лио состоитв использовании фазовой маски с непрерывно меняющейся фазовой задержкой"оптический вихрь" (в англоязычной литературе “vortex”, “optical vortex mask”).Сдвиг фазы, вносимый такой маской, представляет собой геликоид второго (илиболеевысокого)порядка( = ∙ cos 2 , = ∙ sin 2 , = ℎ).Схемапредложена и описана в 2005 году [72].
Такая схема позволяет избежать недостаткамасок, составленных из нескольких частей, в силу изотропного по направлениюослабления излучения в центре светового луча и находит свое место в планируемыхкосмических проектах [73] по поиску и исследованию внесолнечных планетпрямыми методами. В 2005 же году эта схема была усовершенствована доахроматического варианта – VVC [74, 75, 76] (Vector Vortex Coronagraph,альтернативное название AGPMC – Annular Groove Phase Mask Coronagraph), вкотором фазовая маска представляет собой осесимметричную дифракционнуюрешетку (нулевого порядка, т.к.
период решетки меньше длины волны), вносящуюмежду различными компонентами вектора поляризации фазовый сдвиг, независящий от длины волны в некоторых пределах.В схемах коронографов фазовые маски часто применяются вместе с методомаподизации, который основывается на использовании амплитудной маски срадиально (или иным образом) меняющейся прозрачностью (см.
рис. 11), чтобы"срезать" (ослабить интенсивность) боковые лепестки функции рассеяния точкизвезды.Оптимальноераспределениепрозрачноститакоймаскив30осесимметричном случае было найдено в 1965 году (функция Слепяна). Эторешение теоретически позволяет достичь ослабления света звезды на 10 порядковв области за четырьмя радиусами Эйри (4/), но приводит к уширениюцентрального максимума, что делает метод непригодным в случае, еслиизображения осевого и неосевого источников находятся близко друг к другу(ближе четырех радиусов Эйри).а) – функция Эйри (функция рассеяния точки) в логарифмическом масштабе; б) – функцияпропускания амплитудной маски, используемой в методе аподизации (функция Слепяна); в) –модифицированная функция рассеяния Эйри (после прохождения амплитудной маски)Рисунок 11 – Метод аподизацииВ результате использования различных амплитудных (полупрозрачных)масок теряется значительная часть полезного излучения (поглощается маской) иуменьшается пространственное разрешение коронографа (пропускание на краюмаски существенно меньше, чем в центре).
Эти факторы являются недостаткамиметода аподизации, попытка устранить которые была предпринята в 2003 году вкоронографе с фазоиндуцированной амплитудной аподизацией [77, 78] (ванглоязычной литературе “Phase-induced Amplitude Apodization Coronagraph”,“PIAA Coronagraph”). В этой схеме предполагается использовать две пары зеркал с31модифицированной формой поверхности (существенно асферические) дляизменения профиля светового потока (пространственного распределения поамплитуде) и коррекции фазовых аббераций, возникающих при этом, для болееэффективного погашения света звезды с помощью фокальной амплитудной маски.См.
рисунок 12.а) – изменение формы пары зеркал в методе PIAA; б) – принципиальная схема примененияметода PIAA в качестве коронографа, 1-2 и 3-4 – две одинаковые пары зеркал, первая изкоторых меняет пространственное распределение светового пучка по амплитуде, а втораявыполняет обратное преобразование для получения изображенияРисунок 12 – Иллюстрация метода PIAA из работы [77]1.4.4 Нуль-интерферометры для звездной коронографииВпервые в 1978 году в качестве потенциального инструмента для поискавнесолнечных планет было предложено использовать интерферометр оптическогоили инфракрасного диапазона с длинной базой [79].
Идея состояла в том, чтобы,собирая свет звезды с помощью двух отдельных телескопов, когерентно(контролируя разность фаз) объединить эти два световых сигнала таким образом,чтобы изображение звезды попало в область темной интерференционной полосы,т.е. чтобы две копии изображения звезды гасились (ослаблялись) в результатеинтерференциивпротивофазе,такназываемойнуль-интерференции(ванглоязычной литературе “nulling interferometry”), см. рисунок 13. При этом в32результате суточного вращения Земли или вращения обоих телескопов как парывокруг одной точки на специальной монтировке две копии изображения планетыпериодически оказывались бы в области светлой интерференционной полосы, т.е.складывались бы синфазно без погашения, и таким образом планета могла бы бытьобнаружена в виде периодического во времени сигнала на фоне остаточного (неполностью погашенного) света звезды.Рисунок 13 – Принципиальная схема нуль-интерферометра для прямого обнаружения иисследования внесолнечных планетПринцип нуль-интерферометрии был взят за основу в проекте космическойобсерватории Дарвин [80] (Darwin) Европейского космического агентства (ESA).Дарвин должен был состоять из нескольких отдельных космических телескопов (впоследней версии три или четыре телескопа диаметром около трех-четырехметров) инфракрасного диапазона на околосолнечной орбите, держащихся наокружности диаметром в сотни метров, и отдельный космический аппарат,служащий для приема и когерентного объединения сигналов этих телескопов.Синтезированная апертура такого составного телескопа (порядка сотен метров)33позволила бы по пространственному разрешению не только обнаружитьэкзопланеты, но и увидеть их спутники, а также отдельные части планетныхатмосфер или поверхностей с низким пространственным разрешением.
ПроектДарвин не был реализован, так как, в частности, не удалось решить проблемусфазирования сигналов (поддержания постоянной разности фаз) с разныхтелескопов при объединении световых пучков. В 2007 году работы по проектузавершились и не были продолжены.Также на принципе нуль-интерферометрии основывались два проектакосмического агентства NASA – космический инфракрасный интерферометр(6.5…18 мкм) TPF-I [81, 82] (Terrestrial Planet Finder - Interferometer) и космическийинтерферометр видимого диапазона (0.4…0.9 мкм) SIM [83] (Space InterferometryMission). TPF-I представлял собой три или четыре телескопа диаметром до четырехметров на одной платформе или отдельных космических аппаратах, см. рисунок 14.В 2011 году проект TPF был отменен.
Основным инструментом миссии SIMдолжен был стать интерферометр Майкельсона из двух полуметровых телескоповс шестиметровой базой. После сокращения бюджета проекта в 2007 году работы понему были приостановлены, но проект SIM не был отменен.Рисунок 14 – Два варианта относительного пространственного размещения телескопов проектаTPF-I (плоская и неплоская конфигурации). Пространственная геометрия не влияет навозможные варианты объединения сигналов с телескопов внутри аппарата-приемника341.4.5 Интерферометры вращательного сдвига для звездной коронографииИнтерферометры вращательного сдвига (в англоязычной литературе“rotational shearing interferometer”, “RSI”) известны и применяются в астрономииуже несколько десятков лет. Так, например, описанный в [84] интерферометрвращательногосдвига,состоящийиздвухпрямоугольныхпризмисветоделительного кубика, см.
рисунок 15, был задуман, чтобы работать сквазимонохроматической светом в качестве аналогового компьютера, которыйпозволялбырегистрироватьдвумерныйспектрмощностиатмосфернойтурбулентности. В дальнейшем схема была модифицирована путем добавленияфазовых пластин [85, 86] для улучшения видимости полос интерференционнойкартины, которая была сильно нарушена из-за дисбаланса по поляризации прилюбом заданном угле вращательного сдвига в первоначальном варианте, в которомвращение оптического изображения осуществлялось лишь в одном из плечинтерферометра.Модифицированныеверсиитакжепредназначалисьдляисследования турбулентности атмосферы и измерения ее видимости (ванглоязычной литературе “seeing”, “astronomical seeing”).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
