張凱，王伯慶，3，樂中宇，新其其格，周彤，姜明達，王靚，馬波，李正陽

（1 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術(shù)研究所，南京 210042）（2 中國科學院天文光學技術(shù)重點實驗室（南京天文光學技術(shù)研究所），南京 210042）（3 中國科學院大學，北京 100049）（4 中山大學 物理與天文學院，珠海 519082）

0 引言

中山大學擁有悠久的天文學教育和研究歷史，1927年創(chuàng)辦了國內(nèi)首個天文學系，1929年在廣州越秀山修建中大天文臺，2015年物理與天文學院在珠海校區(qū)成，天文系于2019年開始招收天文學本科生。中山大學物理與天文學院天文系致力于星系宇宙學、恒星與行星物理、多信使天文學、天文儀器技術(shù)方法等方向進行學科建設(shè)和科學研究。學校正在珠海校區(qū)大南山山頂（22.344 191 N， 113.557 600 E）上建設(shè)一座兼顧教學與科研的現(xiàn)代化天文觀測設(shè)施。該臺址擁有良好的天文觀測條件，海拔407 m，年可觀測天數(shù)在120 天，可觀測夜視寧度在0.6″～2.5″。

中山大學1.2 m 望遠鏡是一架多功能天文觀測設(shè)施，擁有一塊全口徑1.2 m 的主鏡，可在15′全視場內(nèi)開展多樣化科學觀測，實現(xiàn)科教融合的建設(shè)目的［1］。其中，三色相機將提供天體實時顏色信息幫助快速識別和分類目標天體；長縫光譜儀可針對點源和擴展源提供低分辨率（R=1 000～3 000）光譜觀測能力，助力研究星系、星團等目標的形成與演化；高分辨率光纖光譜儀將提供單目標高分辨率（R≥30 000）光譜觀測能力，助力特殊天體化學豐度和視向速度測量等。

中山大學1.2 m 望遠鏡研制項目的最大特點在于集合三色成像和高低分辨率光譜的多功能觀測手段。高集成度使得高校師生在開展教學觀測時不受拆裝儀器的專業(yè)技能限制，可快速靈活切換不同觀測方式，有效滿足不同學科方向的教學與研究需求。這是科教融合的一種有益嘗試，也是對1 m 級天文觀測設(shè)備研制技術(shù)的新挑戰(zhàn)。其中，三色相機豐富了變源、暫現(xiàn)源的研究手段，可以實時獲取目標源的顏色信息以對各類候選體進行快速分類與證認，成為了當前天文成像觀測的新潮流，如正在開展試觀測的云南大學多通道測光巡天望遠鏡（Multi-channel Photometric Survey Telescope，Mephisto）［2］，將憑借三臺總像素達10 億的相機“錄制”宇宙天體運動和變化的“彩色記錄片”。

中山大學1.2 m 望遠鏡配置的兩臺天文光譜儀也各具特色。長縫光譜儀借鑒了源自歐洲南方天文臺（European Southern Observatory，ESO）暗弱目標成像光譜儀（ESO Faint Object Spectrograph and Camera，EFOSC）［3］的經(jīng)典設(shè)計思路。其光學系統(tǒng)由準直透射鏡組和成像透射鏡組構(gòu)成，這種透射式成像光譜儀于1984年首次科學觀測，其寬視場和高通光效率的觀測特點深受天文領(lǐng)域青睞，后續(xù)同類儀器（DFOSC［4］、BFOSC、YFOSC 等）分別被諸多天文機構(gòu)引進，使用至今。高分辨率光纖光譜儀是天體物理學研究的重要觀測裝備，主要由階梯光柵提供所需主色散功能，由橫向色散器提供與主色散方向正交的交叉色散功能，從而獲得寬波段高分辨率的二維光譜圖像。其“白瞳”的光學設(shè)計概念到1990年代初逐步成熟［5］，較好地解決了高分辨率光譜儀存在相機焦比過快的技術(shù)問題，成為了當代天文高分辨率光譜儀的主流設(shè)計選擇。這種設(shè)計概念是在光譜儀中引入二次光束準直結(jié)構(gòu)，使階梯光柵色散后的光束再次準直，透射在橫向色散器附件，形成一個由復(fù)色光瞳疊加而成的“白瞳”，從而有效地降低相機的焦比與視場壓力。歐洲南方天文臺ESO 最先把這種設(shè)計方法應(yīng)用在3.5 m 新技術(shù)望遠鏡（New Technology Telescope， NTT）的高分辨率光譜儀EMMI（ESO Multi-Mode Instrument）［6］的研制上。而后在研制8.2 m 甚大望遠鏡VLT 的高分辨率光譜儀UVES（Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph）［7］的過程中，歐洲南方天文臺ESO 比較了其它8～10 m級天文光學望遠鏡上的高分辨率光譜儀，如Keck 望遠鏡的HIRES［8］，Gemini 望遠鏡的HROS［9］，Subaru 望遠鏡的HDS［10］等，最終選擇了“白瞳”設(shè)計方案，成就了其優(yōu)異的觀測性能。

本文詳細介紹了中山大學1.2 m 望遠鏡配套的天文光譜儀器研制內(nèi)容及相關(guān)的實驗室測試結(jié)果。對終端儀器的布局、儀器之間快速切換的方法、長縫光譜儀和高分辨率光譜儀的研制方案及實驗室測試結(jié)果波長定標單元等進行了介紹。

1 終端儀器的布局與切換

對于一架1 m 級天文望遠鏡，在卡氏焦點上同時擁有五個終端儀器，其技術(shù)挑戰(zhàn)集中表現(xiàn)在：1）所有終端儀器集中安裝在機械消旋器下方有限的叉臂空間內(nèi)；2）要求所有終端儀器之間能夠快速靈活切換。為此，1.2 m 望遠鏡在消旋器下方計劃設(shè)置一個八面體的卡焦單元，用于搭載所有成像與光譜終端儀器。在結(jié)構(gòu)方面，卡焦單元自上而下分為四層，分別為：安裝法蘭、儀器層、電控層、線纜纏繞器，另在外圍設(shè)置了一個外罩?？ń箚卧行难b有一個切換鏡及其運動機構(gòu)，通過轉(zhuǎn)動與平移的組合方式切換各臺儀器，如圖1 所示。這樣的設(shè)計充分利用多面體的軸對稱優(yōu)勢，方便將科學儀器按端口進行安裝，標準化的接口設(shè)計也保留了未來望遠鏡更新科學儀器時的便利性，分層設(shè)計將光電組件有效分離，便于獨立維護和更新。

圖1 卡焦單元內(nèi)的不同儀器分布情況Fig.1 Distribution of different instruments on the focus unit

卡焦單元的主體為八面體結(jié)構(gòu)，從中心到焦面的距離為310 mm，最多可安裝八個標準的儀器接口。長縫光譜儀和三色成像相機需要更多空間來安裝其組件，最終卡焦單元安裝了四個終端儀器，包括：長縫光譜儀、高分辨率光譜儀光纖耦合接口、波長定標單元、三色成像相機，另外保留一個接口（儀器平臺），可安裝目視終端儀器或未來可能的科學觀測儀器。其中，光譜儀和波長定標單元等集中安裝在儀器層，儀器電源與控制柜等則安裝在電控層，分層設(shè)置，便于分割功能，有效控制熱、磁等因素對儀器觀測效能的影響。

2 長縫光譜儀

天文光譜儀觀測暗弱天體，光譜蘊藏著豐富的天體物理與化學特性。光譜的波長覆蓋范圍、譜線的精細度和數(shù)據(jù)的信噪比是影響科學研究的關(guān)鍵要素，與之對應(yīng)的波長覆蓋范圍、光譜分辨率和通光效率是光譜儀的核心技術(shù)指標。在既定光譜分辨率的條件下，越寬的狹縫可以應(yīng)對更多大氣條件，捕獲足夠的星光，與儀器通光效率一樣影響著觀測的效果。表1 是長縫光譜儀的主要技術(shù)指標，通過切換狹縫寬度來獲得不同的光譜分辨率。

表1 長縫光譜儀的主要技術(shù)指標Table 1 The main technical indexes of the long-slit spectrograph

長縫光譜儀借鑒了歐洲南方天文臺ESO 為3.6 m 望遠鏡裝備的中低分辨率成像光譜儀EFOSC［2］等同類儀器的設(shè)計理念，采用全透射式光學系統(tǒng)來提升其視場覆蓋和通光效率的性能，滿足長縫觀測需求；使用單級次衍射的棱柵，保持中心波長的色散光軸與入射光軸一致，使光譜儀在切換棱柵時無需二次校準光軸；增設(shè)折轉(zhuǎn)反射鏡調(diào)整光譜儀結(jié)構(gòu)滿足卡焦單元的布局要求。由此獲得的長縫光譜圖像，包含了色散方向的波長信息和長縫方向的空間信息，兩個方向相互垂直。光譜儀的光學系統(tǒng)由六部分組成，分別為：可調(diào)狹縫、反射鏡組、準直鏡組、棱柵、成像鏡組和探測器，如圖2 所示。準直鏡組選用三鏡結(jié)構(gòu)外加場鏡的方式對接望遠鏡焦面與出瞳，準直口徑為35 mm，配合棱柵達到所要求的光譜分辨率。成像鏡組采用佩茲伐光學結(jié)構(gòu)提供中等視場（6°×4.5°）、焦距為206.5 mm 的成像能力，保障全視場內(nèi)像質(zhì)均勻。

圖2 長縫光譜儀的光學設(shè)計方案Fig2 Optical design of long slit spectrograph

在色散器選擇方面，長縫光譜儀采用棱鏡+光柵+棱鏡的組合結(jié)構(gòu)，保持中心波長的衍射光軸與入射光軸一致。光柵選擇更適合寬波段中等色散本領(lǐng)的體位相全息光柵VPHG，主要光學參數(shù)：線密度790 l/mm、工作波段600～720 nm，衍射效率峰值≥85%，如圖3 所示。表2 是接力覆蓋400～900 nm 全波段的棱柵參數(shù)，每個棱柵可覆蓋至少70 nm 的工作波段，波段寬度與中心波長成正比，最多能夠覆蓋約145 nm 波段寬度的光譜。

表2 適用波段內(nèi)的棱柵參考參數(shù)Table 2 Reference parameters of available Grisms in the full band

圖3 棱柵照片與衍射效率測試曲線Fig.3 Grism and diffraction efficiency measurement

在光譜儀的焦面位置，光束焦比為F/5.9，像比例尺約33 μm/″，由一臺2 000×2 000 像素探測器（像素尺寸11 μm，靶面22 mm×22 mm）采集光譜圖像。光譜儀是一種特殊的光學系統(tǒng)，其像質(zhì)與波長、視場有關(guān)。圖4 使用矩陣式點列圖展示長縫光譜儀在焦面不同位置的單波長像質(zhì)情況，點源像的彌散斑直徑均小于1″×1″的最小采樣范圍（33 μm×33 μm）。在單一工作波段內(nèi)，沿長縫方向上各處的同一波長像質(zhì)均勻一致，沿色散方向各波長的像質(zhì)變化較為明顯。這是由于不同波長的光束衍射角不同，遠離中心波長的單波長像質(zhì)略有下降。對比三組不同波段的像質(zhì)，可見當光譜儀更換工作波段時，探測器靶面上各個位置的單波長像質(zhì)隨之變化，但彌散斑均有效地控制在最小采樣范圍內(nèi)。

圖4 長縫光譜儀的光學像質(zhì)分析情況Fig.4 Optical image quality analysis of long-slit spectrograph

在光機設(shè)計方面，光譜儀采用封閉鏡筒串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，以達到遮光、防塵等目的。光譜儀整體以狹縫為結(jié)構(gòu)基準點，與望遠鏡焦點進行對接。在支撐結(jié)構(gòu)上適當設(shè)置沿光軸的滑軌，平衡環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的儀器熱脹冷縮。圖5 是長縫光譜儀的實物照片，儀器整體尺寸約0.7 m×0.5 m×0.2 m。圖中也展示了所采集的定標光譜圖像，每根亮線為單波長的長縫像，與之正交的為色散方向，記錄長縫上對應(yīng)位置的光譜信息。圖6 對單波長譜線進行采樣率測試，不同譜線測得采樣率均達到3.1 像素，滿足Nyquist 采樣要求。圖7是長縫光譜儀的通光效率測試結(jié)果，由于工作波段寬度僅120 nm，使用633 nm 波長激光作為測試光源，多次測量的通光效率均值約52.8%，滿足技術(shù)指標要求。

圖5 長縫光譜儀的整體照片和長縫光譜圖像Fig.5 Overall photograph of long-slit spectrograph and long-slit spectral image

圖6 光譜采樣率測試結(jié)果Fig.6 Test results of sampling rate

圖7 單波長的通光效率測量結(jié)果Fig.7 Measurement of optical throughput at a single wavelength

3 高分辨率光纖光譜儀

高分辨率光纖光譜儀采用有別于長縫光譜儀的色散方式，使用階梯光柵和橫向色散棱鏡相結(jié)合的方式獲得單目標的二維高分辨率光譜。光譜圖像的兩個維度代表的信息與長縫光譜圖像不同，一是由階梯光柵決定主色散方向，不同衍射級次的光譜覆蓋一段窄波段，數(shù)十個衍射級次共同覆蓋所需的寬波段；二是由橫向色散棱鏡在正交方向提供的低色散能力，將不同衍射級次的光譜分離開來，互不干擾，共同覆蓋遠寬于長縫光譜儀的工作波段。這也使得儀器規(guī)模較大，不適合直接安裝在1 米級望遠鏡上。為此，設(shè)計方案使用光纖連接方式，將光譜儀主體從望遠鏡端分離，放置在環(huán)境更為穩(wěn)定的光譜室內(nèi)，獲得更高精度的觀測效果。同時，多模光纖的擾模特性能在一定程度上勻化出射光照度，使星光更穩(wěn)定地照射在光譜儀狹縫上，提升譜線的質(zhì)心定位精度。表3 是高分辨率光纖光譜儀的主要技術(shù)參數(shù)。光譜儀選用對天張角2.7″的多模光纖來耦合星光，確保在更多大氣條件下獲得具有研究作用的光譜信噪比。

表3 高分辨率光譜儀的主要技術(shù)指標Table 3 The main technical indexes of the high-resolution spectrograph

儀器分為光纖耦合接口和光譜儀主體兩部分，前者安裝于卡焦單元內(nèi)，與望遠鏡、定標單元配合，將星光或定標光耦合進一根25 m 長的科學光纖，傳輸?shù)轿挥趯嶒炇覂?nèi)的光譜儀主體。光纖耦合接口主要由光纖耦合器、導星相機組成，如圖8 所示，由切換鏡反射的星光穿過針孔鏡耦合進科學光纖內(nèi)，導星相機則實時監(jiān)測針孔鏡上的針孔，引導望遠鏡修正指向，使星光精確落入針孔內(nèi)。

圖8 光纖耦合接口的設(shè)計模型Fig.8 Design model of fiber coupling interface

光譜儀主體采用白瞳設(shè)計方案，光學系統(tǒng)由六部分組成，分別為狹縫單元、準直鏡組、階梯光柵、橫向色散棱鏡組、成像鏡組和探測器，如圖9 所示。狹縫單元使用透鏡組將光纖出射的快焦比光束匹配上光譜儀的準直鏡組。光束由準直鏡準直形成平行光束，將光瞳投射在階梯光柵上，經(jīng)光柵色散后的各波長光束反射回準直鏡。準直鏡和反射鏡組成二次準直系統(tǒng)，使色散光束的光瞳在橫向色散棱鏡附近重疊在一起。雙棱鏡擁有的低色散能力會將各衍射級次的光譜分離開來，最后由一組透射相機匯聚成光譜圖像。在設(shè)計中，使用單塊拋物鏡來代替常規(guī)的兩塊獨立的準直鏡組合，使儀器結(jié)構(gòu)變得更加緊湊；透射相機采用佩茲伐式成像鏡組，提供中等視場（6°×6°）、焦距為250 mm 的成像能力，保障全視場內(nèi)像質(zhì)均勻。

圖9 高分辨率光纖光譜儀的光學設(shè)計方案Fig.9 Optical design of high-resolution fiber spectrograph

在光譜儀焦面位置，光束焦比約F/2.5，像比例尺約14.5 μm/″，單波長的光纖像斑直徑約為39 μm。圖10 同樣使用矩陣式點列圖展示不同衍射級次的光譜像質(zhì)情況，點源像的彌散斑直徑均小于2×2 像素的Nyquist 最小采樣率（29 μm×29 μm）。由于光纖芯徑相對光譜儀的視場張角很小，可見在每個衍射級次的光譜中，不同視場的同一波長像質(zhì)基本一致。在同一級次的光譜內(nèi)，單波長像質(zhì)隨衍射角度變化而變化，但差異很小。對比三幅代表藍端、中心和紅端級次的點列圖，可見在衍射級次方向上因波長跨度大，像質(zhì)變化也比較明顯，但都能保持小于最小采樣范圍。

圖10 高分辨率光纖光譜儀的光學像質(zhì)分析情況Fig.10 Image quality analysis of high-resolution spectrograph

光譜儀選用2 000×2 000 像素科學級探測器（像素尺寸13.5 μm，靶面27.6 mm×27.6 mm），已經(jīng)在實驗室內(nèi)完成了整機調(diào)試，整體尺寸達到1.8 m×1 m×0.6 m，如圖11 所示，對波長覆蓋范圍、光譜分辨率和通光效率進行測試。圖12 是光譜儀的模擬光譜布局和所采集到的平場光譜圖像。將定標光譜進行抽譜和波長標定，獲得各個級次的一維光譜，共同覆蓋400～1 000 nm 全波段。圖13（a）展示了最高級次的一維光譜，驗證光譜儀能夠覆蓋工作波段的最短波長光譜@400 nm。在所有特征譜線中，部分譜線的精細度很高，沒有明顯的展寬，稱為不可再分辨的譜線，用于測量采樣率和光譜分辨率。圖13（b）是其中兩根的不可再分辨譜線的半高全寬測量結(jié)果，約3 像素，符合儀器最低采樣率要求。進而使用這些譜線的中心波長和半高全寬的比值來表征儀器的光譜分辨率，即R=λ/δλ。圖13（c）統(tǒng)計了所有有效譜線的測量結(jié)果，測得分辨率中值達到R≥40 000，優(yōu)于技術(shù)指標要求。

圖11 高分辨率光纖光譜儀的調(diào)試照片及探測器上的光譜圖像Fig.11 Commissioning photo of the high-resolution fiber spectrograph spectral image on the detector

圖12 高分辨率二維光譜Fig.12 High-resolution two-dimensional spectrum

圖13 高分辨率光纖光譜儀的部分測試結(jié)果Fig.13 Test results of high-resolution fiber spectrograph

4 波長定標單元

波長定標是天文光譜觀測中的重要一環(huán)，是獲取未知天體精準光譜信息的必要步驟。在卡焦單元內(nèi)，波長定標裝置安裝在一個獨立儀器接口上，通過切換鏡向長縫光譜儀或高分辨率光纖光譜儀投射所需的定標光束。波長定標單元由定標源、定標光投射鏡組兩部分構(gòu)成。多個定標燈源安裝在積分球上，為光譜儀提供平場、波長定標的均勻光源，由定標光投射鏡組將光束按望遠鏡焦比射向儀器接口。定標光透射鏡組提供超過400 mm 的長工作距離，滿足光束切換所需的空間，并且提供長度超過20 mm 的照明區(qū)域S，滿足長縫光譜儀的定標光照明需求，如圖14 所示。

圖14 波長定標單元的設(shè)計方案與實物照片F(xiàn)ig.14 Design model and photo of calibration unit

波長定標單元已在實驗室完成調(diào)試，使用平場燈光源，在焦面處使用CCD 采集圖像，如圖15 所示。圖像亮度均勻，輪廓清晰，將圖像做歸一化處理，進一步分析其光照均勻性。在光照范圍內(nèi)，任取三處450 像素×450 像素的方形區(qū)域進行局部測量，其歸一化的均方根誤差值RMS 分別為0.002 1、0.002 0、0.000 9，如圖15（a）中標注的①②③，具有較好的光照均勻性。在95%有效光照區(qū)域內(nèi)，測量得到歸一化的亮度均值為0.819，RMS 值為0.002 6。局部和全局的光照均勻性表現(xiàn)基本一致，確保波長定標單元能為兩臺光譜儀提供符合定標需要的均勻光照。同時，長條形照明區(qū)域能夠完全覆蓋長縫光譜儀的5′長狹縫，說明其光能利用率優(yōu)于常見的圓形區(qū)域照明。

圖15 波長定標單元的光照均勻性測試結(jié)果Fig.15 Illumination test of calibration unit

5 結(jié)論

中山大學1.2 m 望遠鏡的研制目標是構(gòu)建一個科教融合、多功能的天文觀測平臺，有限的空間和多功能的需求對天文光譜儀器終端的研制提出很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在有限的卡焦空間內(nèi)，研制方案依托卡焦單元有序地設(shè)置了長縫光譜儀、高分辨率光纖光譜儀接口、波長定標單元、三色成像相機和目視終端儀器，使用位于中心的切換鏡完成儀器之間的靈活切換。高分辨率光纖光譜儀放置在環(huán)境更為穩(wěn)定的實驗室內(nèi)，由望遠鏡端下傳的科學光纖提供拍譜所需的星光或定標光。全部觀測儀器高度集成，切換靈活，能夠有力地支持高校師生在不同教學課程和科學研究方面的需要。