离面工作条件下光谱仪多光栅槽型优化设计.pdf

第60卷第2期 天 文 学 报 Vol.60 No.2 2019年3月 ACTA ASTRONOMICA SINICA Mar., 2019 doi: 10.15940/j.cnki.0001-5245.2019.02.013 离面工作条件下光谱仪多光栅槽型 优化设计 陈力斯1,2,3 胡中文1,2 姜海娇1,2 (1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042) (2 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042) (3 中国科学院大学北京100049) 摘要 在大规模多波段成像和无缝光谱巡天中, 无缝光谱巡天极限星等在一定程度上受 无缝光谱效率和无缝光谱光栅衍射效率制约, 针对无缝光谱仪中布置在焦面附近的光栅 开展衍射效率优化设计研究. 在光栅衍射效率的计算中采用严格耦合波分析方法, 并在优 化算法中综合采用模式搜索法和差分进化算法相结合的方法, 得到了衍射效率高同时满 足工程化要求的最优化槽型. 模式搜索法能快速地收敛到局部最优值, 差分进化算法具有 全局择优的特点, 两者结合提升了运算效率和结果的可靠性. 针对无缝光谱仪中工作在不 同波段、不同入射角和不同离面角的多块光栅优化衍射效率. 优化结果表明, 通过合理控 制槽型, 所有光栅在闪耀波长处的理论平均衍射效率均可达到0.83. 关键词 望远镜, 仪器: 光谱仪, 方法: 分析, 方法: 数值 中图分类号: P111; 文献标识码: A 1 引言 空间天文光学观测是天文观测技术的重要发展方向之一. 我国在载人航天重大科学 工程项目的支持下, 正在开展大规模多波段成像和无缝光谱巡天的研制任务. 无缝光谱 巡天依托空间站平台开展从紫外波段到近红外波段低分辨率无缝光谱观测, 是空间站光 学巡天任务中的两大功能之一. 该巡天任务的开展对研究宇宙的起源与演化、探索紫外 及早期宇宙的研究等有极为重要的科学意义. 无缝光谱巡天极限星等在一定程度上受无缝光谱效率和无缝光谱光栅衍射效率 制约, 光栅衍射效率的数值模拟方法可分为标量波理论和矢量波理论两大类. 标量衍 射模型缺乏足够的精度. 矢量波理论本质上是严格求解麦克斯韦方程, 经常采用积分 [1] [2] 法与微分法. 其中积分法以有限元法 和边界元法 为代表, 微分法以严格耦合波分 [3] [4] 析(RCWA)方法为主, 同时还包括坐标变换法 、有限差分法 、基于快速傅里叶分 [5] 解(FFF)的微分算法 等. 在光栅衍射效率的优化方面, 基于标量衍射理论的研究者采用 2018-11-19收到原稿, 2019-01-22收到修改稿 ∗ 国家自然科学基金项目和中国科学院先导B项目(XD资助 †lschen@niaot.ac.cn 13-1 60 卷 天 文 学 报 2 期 的优化设计算法包括各种梯度算法、投影算法、模拟退火算法等. 基于矢量波理论的研 究者优化算法采用遗传算法、模拟退火法、差分进化算法和梯度下降法等[6−15] . 本文针对我国空间站无缝光谱巡天任务优化衍射光栅的效率, 基于RCWA理论, 综 合模式搜索法和差分进化算法的基础上, 对空间无缝光谱3个波段紫外、可见光和近红 外光栅进行了优化设计. 具体的优化过程是首先根据光谱仪zemax