空間引力波探測(cè)任務(wù)采用的是外差法激光干涉測(cè)量技術(shù),其對(duì)系統(tǒng)的噪聲和精度要求極為苛刻。望遠(yuǎn)鏡是引力波探測(cè)天文臺(tái)的重要組成部分,起到激光信號(hào)收發(fā)的作用,其光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具備大倍率、高像質(zhì)、雜光抑制能力強(qiáng),波前誤差一致性好的特點(diǎn)。針對(duì)上述要求,對(duì)大倍率離軸四反無焦光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。基于初級(jí)像差理論闡述了初始結(jié)構(gòu)的求解方法。系統(tǒng)具有中間像面和可用的實(shí)出瞳,便于雜光抑制和與后端科學(xué)干涉儀的承接。優(yōu)化過程中,建立了波前一致性優(yōu)化函數(shù),通過優(yōu)化設(shè)計(jì),系統(tǒng)入瞳直徑為200 mm,放大倍率為40倍,科學(xué)視場(chǎng)為±8μrad,波前誤差RMS值優(yōu)于0.005λ,PV值優(yōu)于0.023λ（λ=1 064 nm）,波前一致性殘差RMS值優(yōu)于0.000 8λ（λ=1 064 nm）,在捕獲視場(chǎng)±200μrad內(nèi)的成像質(zhì)量均接近衍射極限,并對(duì)系統(tǒng)公差進(jìn)行了分析,滿足引力波探測(cè)的應(yīng)用需求。 

【文章來源】：中國(guó)光學(xué). 2020,13(01)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

初始同軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果

優(yōu)化過程中,在系統(tǒng)科學(xué)視場(chǎng)內(nèi)取(0,0)、(5.6 μrad,0)、(8 μrad,0)、(0, 5.6 μrad)、(0, 8 μrad)、(0, -5.6 μrad)、(-8 μrad,0)7個(gè)視場(chǎng)點(diǎn),在口徑范圍內(nèi)取16個(gè)位置(如圖3所示),將光程一致性函數(shù)Ed作為優(yōu)化函數(shù)的一部分,進(jìn)行優(yōu)化。此外,由于極高的雜光抑制要求,系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度的要求極高。為提高系統(tǒng)工藝性,應(yīng)適當(dāng)控制反射鏡尺寸和光路折轉(zhuǎn)角度。采用離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),提升次鏡表面光線的入射角度和次三鏡間隔,并在中間像面設(shè)置視場(chǎng)光闌可有效減小次鏡產(chǎn)生的后向散射雜光。增加光線在三鏡和四鏡表面的折轉(zhuǎn)角度,同樣可以有效降低系統(tǒng)的后向散射能量。優(yōu)化過程中,還應(yīng)考慮光闌、遮光罩、擋光板等機(jī)械結(jié)構(gòu)的位置和尺寸,以減小來自視場(chǎng)外非成像光束的雜散光。為提高次鏡的工藝性,需要對(duì)其二次曲面系數(shù)進(jìn)行約束,以控制次鏡的非球面度。優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,參數(shù)如表3所示。中心視場(chǎng)主光線在三鏡和次鏡的折轉(zhuǎn)角度均大于15°,次鏡的非球面度低于6 μm,系統(tǒng)具有較高的雜光抑制能力和工藝性。

此外,由于極高的雜光抑制要求,系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度的要求極高。為提高系統(tǒng)工藝性,應(yīng)適當(dāng)控制反射鏡尺寸和光路折轉(zhuǎn)角度。采用離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),提升次鏡表面光線的入射角度和次三鏡間隔,并在中間像面設(shè)置視場(chǎng)光闌可有效減小次鏡產(chǎn)生的后向散射雜光。增加光線在三鏡和四鏡表面的折轉(zhuǎn)角度,同樣可以有效降低系統(tǒng)的后向散射能量。優(yōu)化過程中,還應(yīng)考慮光闌、遮光罩、擋光板等機(jī)械結(jié)構(gòu)的位置和尺寸,以減小來自視場(chǎng)外非成像光束的雜散光。為提高次鏡的工藝性,需要對(duì)其二次曲面系數(shù)進(jìn)行約束,以控制次鏡的非球面度。優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,參數(shù)如表3所示。中心視場(chǎng)主光線在三鏡和次鏡的折轉(zhuǎn)角度均大于15°,次鏡的非球面度低于6 μm,系統(tǒng)具有較高的雜光抑制能力和工藝性。表3 優(yōu)化后光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Design parameters of optical system after optimization 半徑(mm) 間隔(mm) 二次曲面類型 主鏡 -1 075 -507.68 Ellipsoid 次鏡 -63.13 591.95 Ellipsoid 三鏡 -947.40 -217.58 - 四鏡 -543.89 235.46 -

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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