張 弛，朱永田，張 凱

（1.中國科學院 國家天文臺 南京天文光學技術研究所，江蘇 南京210042；

2.中國科學院 天文光學技術重點實驗室，江蘇 南京210042；3.中國科學院大學，北京100049）

引言

20世紀末，國際上已有十幾架地基8m～10m級光學／紅外望遠鏡研制成功并相繼投入天文觀測，這些望遠鏡無論在天文技術方面，還是在天文研究方面都取得了巨大成就，從此奠定了人類研制更大望遠鏡的信心和基礎。天文學的發(fā)展需要建造更大口徑的望遠鏡，現(xiàn)有望遠鏡的集光能力（靈敏度）和空間分辨率無法滿足探測更暗、更精細的宇宙天體的需求。當前，為解決重大的天文學問題，建造30m級巨型光學／紅外望遠鏡（統(tǒng)稱極大口徑望遠鏡）已成為國際天文學界的共識。目前，全世界提出了多個極大口徑望遠鏡方案，其中3個已經(jīng)立項和進入設計階段或制造階段，即美國的巨型麥哲倫望遠鏡（giant magellan telescope，簡 稱 GMT）［1］、30m 望 遠 鏡 （thirty meter telescope，簡稱 TMT）［2］和歐洲39m 巨型望遠鏡（european extremely large telescope，簡稱E-ELT）［3］。這3架極大望遠鏡將在2020年前后建成，成為未來20年地面天文光學觀測設備中的“巨無霸”。與此同時，中國科學院南京天文光學技術研究所的研究小組也開展了對中國未來30m級極大口徑望遠鏡（Chinese future giant telelscope，簡稱CFGT）的研究［4］。CFGT望遠鏡主鏡口徑30m，扇形子鏡拼接，主焦比f／1.2，包括2個耐氏系統(tǒng)、1個卡塞格林系統(tǒng)、多個折軸系統(tǒng)。開展了子鏡的共相主動拼接與控制，批量非圓形離軸非球面子鏡鏡面磨制，大口徑自適應光學等關鍵技術的預先研究。30m級望遠鏡的集光能力將是8m～10m級望遠鏡的10倍，空間分辨率將是哈勃空間望遠鏡（Hubble space telescope）的12倍，相信極大口徑望遠鏡的研制成功將會解決一系列重大天文科學難題。

圖1 美國30m光學／紅外望遠鏡（TMT）Fig.1 Perspective of thirty meter telescope

為實現(xiàn)極大口徑光學／紅外望遠鏡的科學目標，這些望遠鏡計劃都將配置光學和紅外波段、用于光譜和成像觀測等多種科學儀器，觀測波段覆蓋0.31μm～28μm，主要科學儀器有高分辨率光譜儀、自適應光學系統(tǒng)、紅外成像光譜儀、寬視場光學光譜儀、中紅外階梯光柵分光儀、紅外多目標光譜儀、行星形成成像儀、近紅外階梯光柵分光儀和寬視場紅外照相機。其中高分辨光譜儀是其中核心儀器之一，其主要科學目標：研究恒星化學豐度，星際介質（ISM）豐度及動力學，紅移z～6星系際介質（IGM）的特性，太陽系外行星等。為實現(xiàn)上述科學目標，高分辨率光譜儀在性能方面應滿足：

1）高光效率、高光譜分辨率；

2）高穩(wěn)定性、高視向速度測量精度；

3）精準的儀器輪廓。

在過去的20年里，8m～10m級望遠鏡高分辨率光譜儀發(fā)展了許多新技術，比如白光孔徑（white pupil）準直鏡系統(tǒng)、大閃耀角拼接的R4階梯光柵、侵液光柵和大口徑透射相機等，這些技術對極大口徑望遠鏡高分辨率光譜儀的研制具有重要意義［5-7］。交叉色散的階梯光柵光譜儀由于具有高光譜分辨率和寬光譜覆蓋范圍等特點已成為地基大口徑望遠鏡高分辨率光譜儀的首選方案。但是隨著望遠鏡口徑的增大，其高分辨率光譜儀的尺寸迅速增大，對于30m望遠鏡的光譜儀器基于1″（arcsec）寬度的狹縫要獲得50 000光譜分辨率，入射到階梯光柵的光束尺寸約0.7m。現(xiàn)在的光柵制造技術水平還無法提供如此大面積的高質量光柵。此外，大口徑望遠鏡導致光譜儀需要大口徑光學、拼接光柵和快焦比大口徑照相機，這些對制造、安裝和維護都提出了新的挑戰(zhàn)。

1 天文光譜儀與望遠鏡耦合原理

天文光譜儀由入射狹縫、準直系統(tǒng)、色散元件、照相機和探測器等組成，如圖2所示［8］。來自望遠鏡的星光通過位于望遠鏡焦點處的入射狹縫進入光譜儀，經(jīng)準直鏡準直成平行光入射在色散元件上（光柵或棱鏡），然后經(jīng)過成像系統(tǒng)（照相機）將天體光譜成像在探測器（CCD）上，獲取天體光譜信息，研究天體物理過程。

圖2 天文光譜儀與望遠鏡耦合原理圖Fig.2 Schematic layout of spectrograph and telescope

圖2 中，D為望遠鏡口徑，f為望遠鏡焦距；d1為準直鏡口徑，f1為準直鏡焦距；d2為照相機口徑，f2為照相機焦距；A為色散元件（光柵）；w為狹縫寬度，h為狹縫高度；w′為狹縫在探測器CCD上的像寬；h′為狹縫在探測器CCD上的像高。

地基望遠鏡受大氣的影響，即使望遠鏡光學系統(tǒng)成像完善，望遠鏡焦面上的星像也不會是理想像點，而是有一定角直徑的彌散斑。光譜儀與望遠鏡之間的匹配存在以下關系式［9-10］：

光柵工作在littrow入射狀態(tài)時，θ＝0，則

公式（1）還可寫成：

光柵在littrow入射狀態(tài)時，θ＝0，則

光譜儀的分辨率與望遠鏡的口徑D成反比，與準直光束口徑d1成正比。也就是說，當分辨率一定時，極大口徑望遠鏡高分辨率光譜儀需要大口徑準直光路（d1增大），大面積色散元件（L增大），這就出現(xiàn)了高分辨率光譜儀與大望遠鏡耦合的難題。

2 高分辨率光譜儀與極大口徑望遠鏡耦合問題

2.1 準直系統(tǒng)和超大面積階梯光柵

以30m口徑望遠鏡為例，分析計算高分辨率光譜儀的準直系統(tǒng)和主色散元件——階梯光柵的參數(shù)。30m極大口徑望遠鏡參數(shù)如下：

通光口徑D＝30m；

焦距f＝450m；

焦比F＝15

焦面比例尺：2mm／arcsec

高分辨率光譜儀主要性能指標：

光譜范圍340nm～1 000nm

分辨率R＝30 000～60 000

一般來說，目前已知的地面最優(yōu)良的天文臺址的大氣視凝度約0.6″～0.7″（如美國夏威夷 Mauna Kea，智利La Paranal），要達到上述分辨率，光譜儀的R×φ＝40 000。圖3表示光譜分辨率與大氣視凝度的關系曲線。30m極大口徑望遠鏡放在智利或夏威夷的臺址，光譜分辨率R可以達到50 000。

圖3 光譜分辨率與臺址視凝度（狹縫）關系Fig.3 Relationship between resolution and site seeing

根據(jù)公式（1）和（4）可以計算出色散光柵的尺度，從而也可得知儀器的體量。這里分別選取幾種常用的R2、R2.6和R4的階梯光柵，在滿足分辨率要求情況下，計算高分辨率光譜儀的準直光束直徑和階梯光柵刻劃尺寸，表1列出了對于通光口徑30m的望遠鏡的光譜儀的準直系統(tǒng)和階梯光柵的尺寸。圖4和圖5分別表示極大口徑望遠鏡的準直系統(tǒng)和光柵隨R×φ的變化關系。

表1 30m極大望遠鏡高分辨率光譜儀的準直光束和階梯光柵尺寸計算表Table 1 Parameters calculation of colimating beam and echelon grating for TMT giant telescope high-resolution spectrograph

圖4 準直光束尺寸與R×φ的關系Fig.4 Relationship between beam size and R×φ

圖5 階梯光柵刻劃面尺寸與R×φ的關系Fig.5 Relationship between echelle size and R×φ

表1結果顯示，為了達到高分辨率的要求，與30m級極大口徑望遠鏡相匹配的高分辨率光譜儀的主色散光柵刻劃面尺寸達3m左右。當前，單塊用于天文的階梯光柵的最大尺寸約0.5m，拼接后的最大尺寸僅1m。由此可見，由于30m極大望遠鏡需求的驅動，隨著天文光柵的刻劃技術的進步，一方面期待制造更大尺寸的光柵，另一方面拼接光柵技術仍然是30m極大望遠鏡高分辨率光譜儀的必然解決方案。

2.2 大口徑超快焦比照相機

在圖2中，狹縫在CCD上的像寬（色散方向）：

從公式（6）可知，光譜儀中照相機的焦比與望遠鏡的口徑成反比，極大口徑望遠鏡的高分辨率光譜儀的照相機的焦比非常小（快焦比），大口徑快焦比相機將是高分辨率與極大口徑望遠鏡耦合的又一個難題。下面分別計算2m、4m、10m和30m口徑望遠鏡光譜儀照相機的焦比，結果見表2所示。

表2 高分辨率光譜儀匹配不同口徑望遠鏡時照相機的焦比Table 2 Focal ratios of high-resolution spectrograph matching telescope with different apertures

表2結果顯示，極大口徑望遠鏡的高分辨率光譜儀照相機的焦比非?？欤蠹s0.5～0.6左右。從公式（6）可以看出，照相機焦比F2與臺址大氣視凝度φ成反比，大口徑望遠鏡一定要放置在優(yōu)秀的臺址上才能發(fā)揮作用。采用窄狹縫（小于視凝度）獲得所要求的光譜分辨率的同時，相應增大了照相機的焦比F2在1～2之間，這樣的照相機在設計和制造上更加可行。窄狹縫造成了星光的損失，通過像切分器將星像切成若干與狹縫等寬的窄條，然后將這些窄條全部送入光譜儀，從而提高了儀器的光效率。

3 結論

30m級極大口徑望遠鏡對光譜儀與望遠鏡的匹配法則提出了挑戰(zhàn)。其高分辨率光譜儀準直光束大于70cm，階梯光柵的刻劃面寬度約3m，整體儀器非常重且極其復雜，準直光路相當于1m～2m級光學望遠鏡的體積和質量。而目前高分辨率光譜儀的準直光束30cm，階梯光柵拼接后的最大尺寸0.8m，按照現(xiàn)在的光柵制造技術是無法提供如此巨大的高質量天文光柵。

大口徑準直光束意味著需要大口徑的照相機成像系統(tǒng)，極大口徑望遠鏡的高分辨率光譜儀其照相機的焦比F／0.5，這樣的大口徑超快焦比的照相機是難以設計和制造的。

高分辨率光譜儀與極大口徑望遠鏡匹配問題的根本原因在于地面大氣視凝度，分辨率R一定時，縮小狹縫寬度（小于視凝度尺寸）就會等比例減小準直光束、階梯光柵等尺寸，進而改善照相機的焦比要求。但由于入射狹縫的寬度比星像直徑窄得多，大部分光線被擋在狹縫之外而得不到利用。通過像切分器將星像切成若干與狹縫等寬的窄條，然后將這些窄條全部送入光譜儀，從而提高了儀器的光效率。星像切分器、拼接光柵和白瞳設計等組合技術將是解決高分辨率光譜儀與極大望遠鏡匹配問題的有效方法。

［1］ Johns M，McCarthy P，Raybould K，et al.Giant magellan telescope-overview［C］／／Ground-Based and Airborne Telescopes IV （SPIE）Conference，Amsterdam，Netherlands.USA：SPIE，2012.

［2］ Stepp L. Thirty meter telescope project［C］／／Ground-Based and Airborne Telescopes IV （SPIE）Conference，Amsterdam，Netherlands.USA：SPIE，2012.

［3］ Cayrel M.E-ELT optomechanics：Overview［C］／／Ground-Based and Airborne Telescopes IV （SPIE）Conference，Amsterdam，Netherlands.USA：SPIE，2012.

［4］ Su Dingqiang，Wang Yanan，Cui Xiangqun.A special configuration for future giant telescope［J］.Acta Astronomica Sinica，2004.45（1）：105-114.蘇定強，王亞男，崔向群.一個巨型望遠鏡方案［J］.天文學報，2004，45（1）：105-114.

［5］ Vogt S S，Allen S L，Bigelow B C，et al.HIRES：the high-resolution echelle spectrometer on the Keck 10-m telescope［C］／／Instrumentation in Astronomy VIII（SPIE）Conference，Kailua，Kona，HI，USA.USA：SPIE，1994.

［6］ Dekker H，D'Odorico S，Kaufer A，et al.Design，construction and performance of UVES，the echelle spectrograph for the UT2Kueyen telescope at the ESO paranal observatory［C］／／Optical and IR Telescope Instrumentation and Detectors（SPIE）Conference，Munich，Germany.USA：SPIE，2000.

［7］ Zhu Yongtian.High resolution spectrographs for 8m～10mclass optical／IR telescopes［J］.Progress in Astronomy，2001，19（2）：336-345.朱永田.8m～10m級光學／紅外望遠鏡的高分辨率光譜儀［J］.天文學進展，2001，19（2）：336-345.

［8］ Daniel J S.Astronomical optics［M］.London：Academic Press，Inc，1987.

［9］ Tull T G.High-resolution spectrograph for the spectroscopic survey telescope［C］／／Instrumentation in Astronomy VIII（SPIE）Conference，Kailua，Kona，HI，USA.USA：SPIE，1994.

［10］ Wu Xuhua，Zhu Yongtian，WANG Lei.Optical design of high resolution echelle spectrograph［J］.Optics and Precision Engineering，2003，11（5）：442-447.武旭華，朱永田，王磊.高分辨率階梯光柵光譜儀的光學 設 計 ［J］. 光 學 精 密 工 程，2003，11（5）：442-447.