1 兰州理工大学理学院物理系, 甘肃 兰州 730050
2 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
3 兰州城市学院电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070
简要回顾了早期闪电光谱的研究, 分两个阶段综述了近二十年来国内外闪电光谱研究的最新进展。 在20世纪60年代和70年代初, 利用胶片相机获取的闪电光谱虽有诸多不足之处, 但仍然取得了很多非常重要的研究成果, 既为后期闪电光谱的研究奠定了坚实的基础, 也指明了发展方向。 2001年以来, 国内首先利用普通数码摄像机组装成无狭缝光栅摄谱仪开始开展闪电光谱研究。 普通数码摄像机虽然解决了胶片相机存在的问题, 但拍摄速度较慢(50帧·s-1), 只能研究闪电回击通道在该时间范围内的整体性质。 尽管如此, 这些工作又一次推动了闪电光谱研究的发展, 国际范围开始关注闪电光谱研究。 Warner等于2011年用高速摄像机组装的无狭缝光谱仪记录到了云-地闪电梯阶先导的光谱, 大幅度提高了拍摄速度(10 000帧·s-1)。 2012年以来, 国内也开始利用以高速摄像机作为记录系统集成的无狭缝光栅摄谱仪捕获闪电光谱, 用更高时间分辨率对闪电通道不同阶段的辐射光谱开展了大量研究, 并取得了多项引人瞩目的成果, 主要包括自然闪电的梯级先导、 直窜先导和回击以及球状闪电和闪电通道核心的光谱研究。 2017年, Walker报道了时间分辨率为1.5 μs左右、 波长范围分别为380～620和620～870 nm的人工触发闪电起始阶段、 直窜先导、 回击和连续电流阶段的光谱, 但因拍摄范围太小, 获取的只是闪电通道某一局部的光谱。 由此可知, 如何获取更高时空分辨率的光谱资料是闪电光谱研究领域急待解决的问题。
闪电光谱 高速摄谱仪 球状闪电 闪电通道核心 Lightning spectrum High speed spectrograph Ball lightning Lightning channel core 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1661
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 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
为实现各类暂现源及暗弱目标的宽波段、高效率光谱后随观测，以1.9 m光学望远镜为例，设计了一种基于Faint Object Spectrograph and Camera型的双通道中低色散光谱仪，可实现三种光谱分辨率（R=500、2 000和5 500），工作波段覆盖紫外-近红外（310~1 000 nm）。根据光栅方程和光谱分辨率等各项指标，确定光谱仪的初始结构参数，针对光谱仪在全波段的高效率需求以及仪器随动的包络限制，确定光学系统采用双通道设计并近似对称分布：准直系统采用了不同于传统Faint Object Spectrograph and Camera型光谱仪的折反射式系统，在提高了系统效率的同时压缩了空间。色散系统根据直视棱栅的不同工艺，通过棱镜材料和角度的调整对工作波段的光栅效率进行优化并得到8种棱栅参数；红蓝通道相机系统在设计过程中优化选取光学材料，同时结合二次非球面和单透镜的主动调焦补偿，实现大动态温度范围（-30 ℃~20 ℃）全视场（φ16°）最大弥散斑半径均方根小于5 的优良像质。该系统结构紧凑、分布对称，设计结果满足各项指标，光谱仪全波段峰值效率优于60%，最低效率优于20%，具有较高的可实现性。基于曲面芯片工艺，以红通道为例，简化的相机系统至少可提高整体光谱效率约4%，可以为未来光谱仪相机系统的设计提供参考。
棱栅 天文光谱仪 中低色散 体位相全息光栅 曲面探测器 紫外 Grism Astronomical spectrograph Medium-Low dispersion Volume phase holographic grating Curved detector Ultraviolet
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
4 中山大学 物理与天文学院，珠海 519082
中山大学计划在珠海校区大南山台址建设一座以1.2 m望远镜为核心的多功能天文观测设施。在无改正镜组条件下，望远镜可覆盖15′的全视场，并在消旋器下方设置一个八面体卡焦单元，容纳多个观测终端仪器，实现天文光谱观测和多色成像观测之间的功能切换。其中，天文光谱观测设备包括一台长缝光谱仪、一台高分辨率光纤光谱仪和一套波长定标装置。长缝光谱仪提供缝长≥5′、中低分辨率R=1 000~3 000的光谱观测功能，可针对星系、星团等扩展源目标进行有效观测。高分辨率光纤光谱仪提供高分辨率R≥30 000、覆盖400~900 nm的单目标光谱观测功能，可针对特殊点源天体进行高精度化学丰度分析与视向速度测量。本文详细介绍了中山大学1.2 m望远镜配套的天文光谱仪器研制内容。
天文望远镜 长缝光谱仪 高分辨率光谱仪 Astronomical telescope Long slit spectrograph High-resolution spectrograph
1 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650216
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院国家天文台，北京 100101
光纤模态噪声限制了下一代高精度视向速度光谱仪的测量精度。特别是当使用相干光源进行波长定标时，模态噪声会引起视向速度测量误差，降低视向速度测量精度。为了抑制光纤模态噪声，提出了一种基于变形镜的动态改变散斑花样的技术方法，该方法是在单次曝光时间内通过动态改变变形镜的面型，平滑光纤引起的散斑花样，提高定标光谱的质心稳定性，从而保证视向速度的测量精度。通过实验，利用632.8 nm 氦氖激光器作为定标光源，验证了该方法的有效性。实验结果表明，单次曝光图像包含约105个变形镜形变模式时，可以有效抑制光纤模态噪声。针对分辨率R=100000的光谱仪，单根定标谱线的情况下，光纤模态噪声引起的视向速度定标误差约为19.8 cm/s，与国际上其他技术方法的精度持平，该方法不仅可以提高能量利用率，且不影响光纤的使用寿命。
激光散斑 视向速度 变形镜 光谱仪 laser speckle radial velocity deformable mirror spectrograph 红外与激光工程
2022, 51(10): 20210763
魏烨艳 1,2,3白先勇 1,2,4张志勇 1,2,4冯志伟 1,2,3,*宋谦 1,2,3
1 中国科学院 国家天文台，北京000
2 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京100049
3 中国科学院 国家天文台 天文光学重点实验室，北京100101
4 中国科学院 国家天文台 太阳活动重点实验室，北京100101
为了实现对太阳中红外光谱CO 4.66 μm波段的观测，设计了一台光谱中心波长为4.667 μm的高分辨中红外光谱仪。基于科学观测需求分析了光谱仪的技术指标，为降低红外仪器的背景辐射，光谱仪整体置于真空制冷环境中；为达到高分辨率的观测需求，采用中阶梯光栅作为分光器件；为获得更优的像质，同时达到压缩光路的目的，光谱仪采用李特洛结构与离轴三反消像散技术相结合的光学设计，离轴三反同时承担了光谱仪中准直和成像的功能。在同轴三反系统的几何光学成像理论的基础上，研究了同轴三反结构、离轴三反结构以及光谱仪结构的求解和设计优化方法。光谱仪的焦距为1 300 mm，数值孔径为0.035，视场为20.3'×0.158'，系统的整体尺寸小于700 mm。结果表明，在工作波段范围内，光谱仪点列图的均方根直径小于5 μm，能量集中于一个像元尺寸范围内，光谱仪系统设计结果满足要求。
光学设计 中红外 光谱仪 中阶梯光栅 李特洛 离轴三反消像散 optical design mid-infrared spectrograph echelle grating littrow three-mirror anastigmatic
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 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), 江苏 南京 210042
3 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所, 天津 300350
4 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
照明的不稳定性会引起视向速度测量误差,从而严重限制仪器精度的提高。光纤扰模是提高仪器照明稳定性的有效途径之一。为了给现有高精度色散光谱仪升级及新型高精度视向速度仪器设计提供可靠的实验参考,对单根圆形光纤、单根八边形光纤、圆形-八边形-圆形光纤串接系统、双圆形光纤扰模系统、圆形-八边形混合双光纤扰模系统和双八边形光纤扰模系统的近场和远场扰模性能进行详细的实验研究。实验结果显示:单根八边形光纤较单根圆形光纤具有更好的近场扰模性能,双光纤扰模技术可以有效改善近场和远场扰模性能,双八边形光纤扰模系统能同时具有良好的近场和远场扰模性能。实验研究了球透镜和双透镜两种双光纤扰模系统,球透镜系统通光效率约为55%,双透镜系统通光效率约为80%。
光纤光学 视向速度 扰模性能 高色散光谱仪 照明稳定性
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
建立了基于边界限制的宽波段高效率多通道光谱仪快速设计的分析模型,讨论了多通道光谱仪的性能要求、初始结构参数、项目成本、风险之间的相互关系。该模型能够根据给定的系统指标快速计算出多通道光谱仪各子系统的结构参数,能在项目初期对方案的可行性和项目预算给出合理的评估。以4 m级望远镜为平台,设计了基于体位全息光栅的多通道光谱仪,光谱范围为350~1000 nm,每个通道在闪耀波长处的分辨率为5000,光谱仪本体峰值效率大于53%,全工作波段单色像质能量集中度在80%处优于15 μm,满足系统的性能要求。
光学设计 光谱仪 体位全息光栅 极大望远镜
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 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
为了充分利用LAMOST望远镜, 实现对银河系不同星族的分布与整体性研究, 以及极端贫金属星元素丰度测定等科学目标, 研制了LAMOST高分辨率光谱仪, 光谱分辨率R≥30 000, 光谱覆盖范围380~740 nm。在充分考虑台址因素与现有条件后, 采用中继倍率07倍的准白瞳设计方案, 使用大芯径光纤、拼接大光栅、棱栅组合式横向色散器、缝前像切分器等措施来满足性能要求。进行了效率估算与杂散光分析, 光谱仪本体效率峰值大于30%, 杂散光照度占CCD总照度的255%, 信噪比为1601 dB。试运行阶段实测了太阳光谱, 温度稳定性达到±003 ℃, 光谱仪效率峰值约为335%, 满足稳定、高效的运行要求。
光谱仪 分辨率 通光效率 杂散光 spectrograph resolution light efficiency stray light
