Диссертация (1103493), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В 1990 году былапредложенамодификацияинтерферометравращательногосдвигаcфиксированным углом вращения [87] для применения на космическом телескопе вцелях детектирования внесолнечных планет.Рисунок 15 – Схема интерферометра вращательного сдвига (RSI) с фиксированным угломвращения на 180°. Серым цветом показана светоделительная диагональ кубика351.4.6 Ахроматический интерференционный коронографВажным шагом в развитии звездной коронографии стал ахроматическийинтерференционный коронограф (АИК, в англоязычной литературе “achromaticinterfero coronagraph”, “AIC”) [88, 89, 90, 91, 92]. Рисунок 16 иллюстрирует принципработыАИК.Полученноетелескопомизображениезвездыипланетыколлимируется в плоскопараллельный пучок и направляется в интерферометр.Затем оно разделяется на два равных по интенсивности изображения, одно изкоторых сдвигается по фазе на π радиан относительно другого и одновременноповорачивается также относительно второй копии на 180° вокруг оптической оси,совпадающей с осью звезды (направлением на звезду).
При совмещенииизображений в результате интерференции в противофазе свет от звездызначительно ослабляется (зануляется), в то время как свет от двух копийизображения планеты не гасится, так как они оказываются геометрическиразделёнными, и располагаются симметрично относительно оптической оси.Рисунок 16 – Принципиальная схема работы ахроматического коронографа (AIC)Нарисункеинтерференционного17показанакоронографа,оптическаякоторыйсхемапредставляетахроматическогособойнуль-интерферометр вращательного сдвига с фиксированным углом поворотаоптического изображения – модификацию интерферометра Майкельсона, в одномиз плеч которого выполняется вращение изображения на 180° и вноситсядополнительный фазовый сдвиг на π путем прохождения света через фокус36сферического зеркала [93, 94] (в англоязычной литературе “cat’s eye system”, “Gouyphase shift”).Рисунок 17 – Оптическая схема ахроматического интерференционного коронографа (AIC)Основнымикоронографапреимуществамиявляютсяахроматизмахроматическоговширокоминтерференционногодиапазонедлинволн,ограничиваемом только свойствами материалов оптических элементов, инаилучшее пространственное разрешение, т.е.
минимальное среди всех схемкоронографов значение наименьшего рабочего угла (в англоязычной литературе“inner working angle”, “IWA”). Наименьший рабочий угол – это минимальноеугловое расстояние между звездой и планетой, которое возможно разрешить спомощью коронографа, и он определяется, как угловое расстояние между звездойи планетой, при котором величина пропускания света планеты уменьшается вдвоеот максимального значения. Кроме того, АИК устраняет симметричные (четные)аберрации, что позволяет эффективно использовать его с телескопом, гдедержатель вторичного зеркала устроен симметрично.Принципиальнымнедостаткомахроматическогоинтерференционногокоронографа и других схем коронографов с малыми значениями наименьшегорабочего угла является фоновая засветка [44], обусловленная неполнымпогашением света звезды из-за ее конечного физического размера (конечного37наблюдаемогоугловогоразмера),т.е.недостаточнойпространственнойкогерентности источника света.
Величина фоновой засветки зависит отнаблюдаемого углового размера звезды (т.е. физического размера звезды ирасстояния до нее), размера телескопа и диапазона длин волн, в которомвыполняется наблюдение. Например, если наблюдать систему «Солнце-Земля» срасстояния 10 парсек, то угловой размер родительской звезды в этом случаесоставляет около 10-3 угловых секунд. Телескоп диаметром 1 метр с дифракционноограниченным разрешением около 0.25 угловой секунды (1.22λ/D, на длине волны1 мкм) оптически не разрешает диаметр звезды. В то же время такой телескоп,оснащенный ахроматическим интерференционным коронографом, при данныхусловиях наблюдения позволяет ослабить оптический контраст между звездой ипланетой на 5 порядков, но не более из-за конечного физического размера звезды.Ещеоднимважнымнедостаткомсхемыахроматическогоинтерференционного коронографа, сильно затрудняющим его использование дляпрактического решения задач звездной коронографии, является его механическаянестабильность,распространяютсяобусловленнаяпоразнымтем,чтооптическиминтерферирующиепутямвразличныхволныплечахинтерферометра.
Для достижения коронографического контраста в 10 порядков,который требуется для детектирования землеподобных планет в обитаемой зоне уближайших звезд, необходимо создать оптическую разность хода с точностьюлучше1.5∙10-4радиан(вединицахразностифаз),чтосоответствуетрассогласованию в масштабе длины 2.4∙10-5 мкм (при длине волны λ = 1 мкм). Этоже требование определяет предельно допустимую механическую нестабильностьплечинтерферометра,которуюсложнодостичьвинтерферометрахсразделенными плечами, каковым и является ахроматический интерференционныйкоронограф.
Для разрешения этой проблемы в 2007 году было предложеновыполнить АИК по моно аксиальной оптической схеме [91], см. рисунок 18. Такоерешение позволяет существенно снизить чувствительность коронографа кмеханическим воздействиям, но в то же время задает высокие требования ккачеству изготовления оптических элементов (размеры и форма поверхности) и38точности их установки, так как в моно аксиальной конфигурации сильноограничены возможности настройки коронографа после изготовления.Рисунок 18 – Варианты моно аксиальных конфигураций оптической схемы ахроматическогоинтерференционного коронографа (mono-axial AIC) из работы [91]1.4.7 Симметричные интерферометры вращательного сдвига иусовершенствование ахроматического интерференционного коронографаВ 2005 году была предложена схема симметричного интерферометравращательного сдвига [95, 96] (см. рисунок 19), который представляет собойусовершенствование оригинальной схемы интерферометра вращательного сдвига[84] путем установки в каждом из плеч интерферометра двух ортогональных другдругу плоских зеркал (в англоязычной литературе “rooftop mirror”), что позволяетобойтись без использования дополнительных фазовых пластин для компенсациидисбаланса по поляризации [97].Рисунок 19 – Оптическая схема симметричного интерферометра вращательного сдвига(symmetric RSI) из работы [95]39В 2009 году был представлен альтернативный вариант схемы симметричногоинтерферометра вращательного сдвига – МАНИК [98, 99] (в англоязычнойлитературе “MANIC”, “Monolithic achromatic nulling interference coronagraph”).КонструкциякоронографаМАНИКповторяетсхемусимметричногоинтерферометра вращательного сдвига на фиксированный угол 180° в монолитнойкомпоновке, но содержит также симметричный светоделитель (имеется ввидусимметричное устройство его светоделительной диагонали при прохождении светав противоположных направлениях) и немного отличный порядок оптическихэлементов (а именно порядок отражений) в плечах интерферометра.
См. рисунки20и21.Подобномоноаксиальнойконфигурацииахроматическогоинтерференционного коронографа МАНИК задает высокие требования к качествуизготовления оптических элементов (размеры и форма поверхности) и точности ихустановки (склейки между собой), так как возможности настройки этогокоронографа после изготовления существенно ограничены.Рисунок 20 – Оптическая схема коронографа MANIC из работы [98]40Рисунок 21 – Макет-прототип коронографа MANIC из [99]В 2005 году оригинальный ахроматический интерференционный коронографбыл усовершенствован до нуль-интерферометра общего пути [100, 101, 102, 103] (ванглоязычной литературе “common-path achromatic interfero coronagraph”, “CPAIC”),которыйпредставляетинтерферометрвращательногосдвигасфиксированным углом поворота оптического изображения на 180° – модификациюнеплоского кольцевого интерферометра Саньяка [104], см. рисунок 22.
Такаяоптическая схема обеспечивает стабильную нулевую оптическую разность ходамежду плечами интерферометра и устраняет чрезмерную чувствительность кмеханическим воздействиям, так как оба плеча геометрически совмещены и двеволны (в разных плечах) распространяются по одному и тому же общему пути впротивоположных направлениях навстречу друг другу.
Сдвиг по фазе междуплечами и поворот оптического изображения в схеме происходит прираспространении света в системе плоских зеркал.411 – поляризационный светоделитель; 2 – неполяризационный светоделитель; 3-8 – плоскиезеркалаРисунок 22 – Оптическая схема ахроматического интерференционного коронографа общегопути (CP-AIC)1.4.8 Проблема значительной фоновой засветки рассеянным звездным светом ипути решенияОписанные выше интерферометры вращательного сдвига, в том числе иахроматический интерференционный коронограф с его усовершенствованнымивариантами, обладали на момент начала настоящей работы так и неисправленнымсущественным недостатком – высокой чувствительностью к угловому размерузвезды и ошибкам наведения на нее, – описанным в п.
1.4.6. Как было сказаноранее, это приводит к значительному уровню фоновой засветки не полностьюпогашенным светом звезды и не позволяет разрешить оптический контраст междузвездой и планетой выше 5 порядков при угловом размере звезды более 0.01λ/D[44], что препятствует использованию различных модификаций интерферометроввращательного сдвига для поиска землеподобных экзопланет в зоне обитанияоколо ближайших звезд. Для решения обозначенной проблемы были предложенынескольковариантовулучшенияпервоначальнойсхемыахроматическогоинтерференционного коронографа и новые виды коронографов.42Для применения на небольших телескопах (диаметром 0.5…1.5 м) возможнообъединение двух АИК общего пути в тандем двух последовательныхинтерферометров [105, 101], см. рисунок 23. Один из интерферометров вноситфиксированный вращательный сдвиг на 90°, второй – на 180°, так что на выходесовмещаются четыре копии изображения, получаемого с телескопа, которыеотносительно друг друга имеют фиксированный вращательный сдвиг на 90°.Использование оптической схемы общего пути делает коронограф механическистабильным и устойчивым к внешним воздействиям.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
