АХРОМАТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ КОРОНОГРАФ

Область применения и уровень развития техники
Настоящая полезная модель относится к области наблюдательной астрономии и может быть использована для визуализации слабоконтрастных источников вблизи ярких, в частности для наблюдения внесолнечных планет (экзопланет) около ближайших звезд.
Для того чтобы ослабить высокий оптический контраст между звездой и ее окрестностью, звездная коронография интенсивно развивалась, ведя свое начало от солнечного коронографа Бернара Лио. В звездных коронографах маска "искусственная Луна" солнечного коронографа заменялась различными по устройству фазовыми и амплитудными масками совместно с использованием методов апподизации и изменением формы входного зрачка оптической схемы.
4
Важным шагом в развитии звездной коронографии стал ахроматический интерференционный коронограф (АИК), предложенный в 1996 году (Gay J., Rabbia Y. C.R. Acad. Sci. Paris. Serie II b. 1996. T. 332. P. 265-271). Основным достоинством АПК является ахроматизм в широком диапазоне длин волн. АИК имеет наилучшее пространственное разрешение (наименьший рабочий угол), а также устраняет симметричные (четные) статистические аберрации, что позволяет использовать коронограф с телескопом, где держатель вторичного зеркала устроен симметрично. Принципиальным недостатком схемы АИК и некоторых других схем коронографов с малыми значениями наименьшего рабочего угла является фоновая засветка (т.е. низкий коронографический контраст, около 10), обусловленная неполным гашением света звезды из-за ее конечного физического размера. Также АИК механически нестабилен.
10
Чтобы исправить описанные выше недостатки, были предложены несколько методов улучшения первоначальной схемы АПК. В 2005 году был разработан ахроматический интерференционный коронограф по оптической схеме общего пути (Тавров А.В. «Физические основы ахроматической ноль интерферометрии для звездной коронографии», ЖЭТФ, 2008, том 134, выпуск 6(12), с. 1103-1114.), что позволило добиться механической стабильности. В 2009 году было предложено объединить два АИК общего пути в тандем двух последовательных интерферометров (патент на полезную модель № 90578, кл. G02B 1/00, опубл. 25.06.2009). Такое устройство устраняет основной недостаток АИК и повышает коронографический контраст до 10. Но устройство также имеет существенный недостаток - низкое пропускание полезного света, которое составляет 1/16 света от наблюдаемого слабоконтрастного источника (для линейно поляризованного света на входе).
Прототип
Наиболее близким по технической сущности прототипом является ахроматический интерференционный коронограф, выполненный на основе схемы неплоского кольцевого интерферометра Саньяка, как показано на рисунке 1, и описанный в статье Таврова А.В. «Физические основы ахроматической ноль интерферометрии для звездной коронографии».
Оптическая схема содержит два диэлектрических светоделителя. Светоделитель СД1 является поляризационным и размещен на входе, он разделяет входной и выходной световые потоки, а также задает поляризацию входного потока. Светоделитель СД1 ориентирован таким образом, что вектор нормали к его светоделительной поверхности имеет координаты [1,1, -√2]. Светоделитель СД2 выполнен неполяризационным и размещен в вершине куба пространственной схемы интерферометра, в точке с координатами [0, 0, 0], он разделяет световые потоки в основной кольцевой части коронографа по направлению. Светоделитель СД2 ориентирован таким образом, что вектор нормали к его светоделительной поверхности имеет координаты [0, 1, -1]. При этом светоделители СД1 и СД2 взаимно повернуты на 45° вокруг оси Oz (направления хода светового луча).
Оптическая схема содержит шесть плоских зеркал, причем четыре из них (зеркала ЗРК1, ЗРК4, ЗРК5, ЗРК6) размещены в вершинах куба пространственной схемы интерферометра, а два зеркала (зеркала ЗРК2 и ЗРК3) - в серединах противоположных ребер одной из граней этого куба. Зеркало ЗРК1 размещено в точке с координатами [0, 0, 1], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [0, 1, -1]. Зеркало ЗРК2 размещено в точке с координатами [0, 0.5, 1], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [1,-1,0]. Зеркало ЗРК3 размещено в точке с координатами [1, 0.5, 1], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [1, -1, 0]. Зеркало ЗРК4 размещено в точке с координатами [1, 1, 1], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [0, 1, 1]. Зеркало ЗРК5 размещено в точке с координатами [1, 1, 0], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [1, 0, -1]. Зеркало ЗРК6 размещено в точке с координатами [0, 1, 0], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [1, -1, 0].
Цель изобретения
2
Целью создания данной полезной модели является устранение указанного недостатка прототипа - повышение коронографического контраста для наблюдения слабоконтрастных объектов в окрестности звезд с видимым угловым размером 10 номинального разрешения телескопа.
Описание предлагаемой схемы в статике
Оптическая схема ахроматического интерференционного коронографа представляет собой неплоский кольцевой (общего пути) интерферометр вращательного сдвига, как показано на рисунке 2.
Оптическая схема содержит два диэлектрических поляризационных светоделителя. Светоделитель СД1 размещен на входе и разделяет входной и выходной световые потоки, а также задает поляризацию входного потока. Светоделитель СД1 ориентирован таким образом, что вектор нормали к его светоделительной поверхности имеет координаты [1, 1, -√2]. Светоделитель СД2 размещен в вершине куба пространственной схемы интерферометра в точке с координатами [0, 0, 0] и разделяет световые потоки в основной кольцевой части коронографа по двум направлениям. Светоделитель СД2 ориентирован таким образом, что вектор нормали к его светоделительной поверхности имеет координаты [0, 1, -1]. При этом светоделители СД1 и СД2 взаимно повернуты на 45° вокруг оси Oz (направления хода светового луча). За светоделителем СД2 между светоделителем СД2 и зеркалом ЗРК1 размещена полуволновая фазозадерживающая пластина. Альтернативно эта фазозадерживающая пластина может размещаться между светоделителем СД2 и зеркалом ЗРК6.
Оптическая схема содержит шесть плоских зеркал, размещенных в вершинах куба (зеркала ЗРК1 и ЗРК6) и на ребрах куба (зеркала ЗРК2, ЗРК3, ЗРК4, ЗРК5) пространственной схемы интерферометра. Зеркало ЗРК1 размещено в точке с координатами [0, 0, 1], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [0, 1, -1]. Зеркало ЗРК2 размещено в середине ребра куба в точке с координатами [0, 0.5, 1], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [1, -1, 0]. Зеркало ЗРК3 размещено в середине ребра куба в точке с координатами [1, 0.5, 1], ориентировано так, что вектор нормали к его отражательной поверхности имеет координаты [1+√2, -1, 0]. Таким образом, вектор нормали к отражательной поверхности зеркала ЗРК3 составляет угол 22.5° с прямой линией, соединяющей зеркала ЗРК2 и ЗРК3, и такой же угол с прямой линией, соединяющей зеркала ЗРК3 и ЗРК4. Зеркало ЗРК4 размещено в середине ребра куба в точке с координатами [0.5, 1, 1]. Его ориентация определяется удалением L зеркала ЗРК5 от вершины куба
пространственной схемы интерферометра. Вектор нормали к отражательной поверхности зеркала ЗРК4 имеет координаты:
2
Таким образом, вектор нормали к отражательной поверхности зеркала ЗРК4 составляет угол 7.169⋅L - 20.54⋅L + 35.87° с прямой линией, соединяющей зеркала ЗРК3 и ЗРК4, и такой же угол с прямой линией, соединяющей зеркала ЗРК4 и ЗРК5.
Зеркало ЗРК5 размещается на ребре куба в точке с координатами [1,1-L,0], где L - удаление зеркала ЗРК5 от вершины куба в долях длины ребра куба (L=0…1). Ориентация зеркала ЗРК5 определяется его удалением L от вершины куба пространственной схемы интерферометра. Вектор нормали к отражательной поверхности зеркала ЗРК5 имеет координаты:
3
2
-2
Таким образом, вектор нормали к отражательной поверхности зеркала ЗРК5 составляет угол 8.029⋅L - 17.13⋅L - 8.705⋅10⋅L + 31.73° с прямой линией, соединяющей зеркала ЗРК4 и ЗРК5, и такой же угол с прямой линией, соединяющей зеркала ЗРК5 и ЗРК6. Зеркало ЗРК6 размещается в вершине куба в точке с координатами [0, 1, 0]. Его ориентация определяется удалением L зеркала ЗРК5 от вершины куба пространственной схемы интерферометра. Вектор нормали к отражательной поверхности зеркала ЗРК6 имеет координаты:
2
Таким образом, вектор нормали к отражательной поверхности зеркала ЗРК6 составляет угол 8.22⋅L - 30.89⋅L + 45.14° с прямой линией, соединяющей зеркала ЗРК5 и ЗРК6, и такой же угол с прямой линией, соединяющей зеркало ЗРК6 и светоделитель СД2.
Описание предлагаемой схемы в динамике
2
5
2
2
Свет от яркого источника (звезды) и находящихся в его окрестности слабоконтрастных источников (планеты, областей протопланетного диска) собирается телескопом, коллимируется и направляется на вход коронографа - светоделитель СД1. Проходя через светоделитель СД1, входной световой поток поляризуется линейно, причем вектор поляризации излучения, проходящего через светоделитель СД1 на светоделитель СД2, имеет координаты [1, 1, 0]. На светоделителе СД2 световой поток разделяется на два равных по интенсивности потока, имеющих ортогональные друг другу поляризации. Один из потоков не меняет своего направления и проходит на зеркало ЗРК1. Второй поток отклоняется на 90° и проходит на зеркало ЗРК6. Вектор поляризации излучения, проходящего через светоделитель СД2 без изменения направления (от светоделителя СД1 на зеркало ЗРК1 и наоборот), имеет координаты [0, 1, 0], вектор поляризации излучения, проходящего через светоделитель СД2 с изменением направления на 90° (от светоделителя СД1 на зеркало ЗРК6 и наоборот), имеет координаты [1, 0, 0]. Два световых потока распространяются в основной кольцевой части коронографа в противоположных направлениях, последовательно отражаясь от шести зеркал, и снова совмещаются на светоделителе СД2. Зеркала ЗРК1 и ЗРК2 отклоняют световой луч на 90°. Зеркало ЗРК3 отклоняет световой луч на 135°. Зеркало ЗРК4 отклоняет световой луч на угол, равный 14.34⋅L + 41.09⋅L + 108.3°. Зеркало ЗРК5 отклоняет световой луч на угол, равный -16.06⋅L + 34.26⋅L + 0.1741⋅L + 116.5°. Зеркало ЗРК6 отклоняет световой луч на угол, равный -16.44⋅L + 61.79⋅L + 89.72°.
Величина L - удаление зеркала ЗРК5 от вершины куба в долях длины ребра куба, значения L могут изменяться в пределах от 0 до 1. При этом угол отклонения светового луча зеркалом ЗРК4 может составлять 108.4°… 135°, угол отклонения светового луча зеркалом ЗРК5 может составлять 116.6°…135°, угол отклонения светового луча зеркалом ЗРК6 может
составлять 90°… 135°, угол вращения оптического изображения может составлять 0°…57.4°. Возможные варианты конкретных значений приведены в таблице 1.
4
3
2
При последовательном прохождении светоделителя СД2, шести зеркал и вновь светоделителя СД2, оптические изображения двух световых потоков взаимно поворачиваются на угол α, равный -27.88⋅L + 59.94⋅L - 3.09⋅L - 86.53⋅L + 57.49°, где L - удаление зеркала ЗРК5 от вершины куба в долях длины ребра куба. При этом векторы поляризации двух световых потоков поворачиваются на угол 90° в противоположных направлениях, а сами световые потоки смещаются по фазе относительно друг друга на π. На светоделителе СД1 световые потоки одинаково поляризуются и отклоняются в сторону выхода. Вектор поляризации излучения, проходящего через светоделитель СД1 на выход, имеет координаты [1, -1, 0].
В результате сложения двух потоков свет от яркого источника (звезды), находящихся в противофазе, значительно ослабляется (взаимно погашается) в результате интерференции, а свет от слабоконтрастного источника (планеты) ослабляется незначительно, так как две образовавшиеся копии этого источника в результате взаимного поворота на угол α оказываются пространственно разделены и не интерферируют. На выходе оптической схемы регистрируется затемненное изображение исследуемого яркого источника (звезды) в виде фоновой засветки и незатемненное изображение двух копий слабоконтрастного объекта (планеты). За счет этого достигается контраст между этими изображениями. При этом пропускание полезного
света составляет 1/4 света от наблюдаемого слабоконтрастного источника (для линейно поляризованного света на входе).
Положительный эффект
9
-2
Описанная полезная модель устраняет основной недостаток прототипа и повышает достигаемый коронографический контраст до 10 для наблюдения слабоконтрастных объектов в окрестности звезд с видимым угловым размером порядка 10 номинального разрешения телескопа. По сравнению с аналогом (объединение двух интерферометров в тандем, патент на полезную модель № 90578), схема содержит вдвое меньше оптических элементов и имеет более высокое пропускание полезного света.
Применимость
Настоящая полезная модель предназначена для прямого наблюдения слабоконстрастных источников вблизи ярких: для обнаружения и наблюдения внесолнечных планет (экзопланет) около ближайших звезд, для наблюдения околозвездных пылевых и протопланетных дисков. Так как схема является ахроматическим коронографом с широким спектральным диапазоном, то позволяет сократить время наблюдения тусклых источников света, а также упростить возможный спектральный анализ наблюдаемых объектов. Использование в схеме двух поляризационных светоделителей предоставляет возможности для выполнения поляризационного анализа при достаточной степени поляризации исследуемого излучения. Возможно применение настоящей полезной модели для погашения ярких «слепящих» точечных источников света.
Данная полезная модель найдет свое применение в составе блока научной аппаратуры в планируемых российских проектах космических телескопов «Планетный мониторинг» и «Звездный патруль», а также в проектах по поиску экзопланет на наземных телескопах - отечественных и зарубежных, например, в обсерватории Ниццы.