中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

太阳磁场测量可以帮助人们对太阳大气层固有属性进行探索和研究，磁场测量的常规手段之一是偏振测量。结合Zeeman和Hanle效应，人们可进一步推断太阳磁场信息。大型太阳望远镜可以帮助人们进行高分辨率、高精度偏振测量，并利用观测结果对太阳大气中不同的层级结构进行分析，例如太阳宁静区的精细结构，太阳黑子等。偏振仪器的发展可有效提升测量精度，为理论研究提供坚实的观测基础。高精度的偏振测量一直是太阳物理领域的研究热点。

本论文拟通过理论设计与分析，来确定一种用于太阳磁场测量的高效率、高精度偏振仪。在保证高效率测量的同时，偏振仪可通过引入定标单元实现高精度测量。本文拟搭建对应的实验装置，获取前期设计的实验结果，为后续高精度偏振测量提供一定的技术基础。本论文主要围绕偏振仪的设计与实验展开，主要内容包括以下方面。

1. 本文设计了一种用于太阳磁场测量的高效率、高精度偏振成像仪，可用于太阳全日面磁场测量。偏振仪测量单元基于两块液晶可调相位延迟器和一块渥拉斯顿棱镜设计；偏振仪校准单元包括一块线性偏振片和一块四分之一波片。测量单元的液晶调制器件避免了传统机械旋转调制法或分振幅法带来的像旋和系统装调误差，偏振双光束设计可有效减少Stokes参量中I → 𝑄, 𝑈, 𝑉 的串扰信号；校准单元可产生若干组标准偏振态，偏振仪对应测量后进行反算，可对偏振仪潜在误差进行量化校正。此外，本文设计了一种基于六幅图像的偏振仪调制方案。相比于基于四幅图像的调制方案，该方案可基于测量与观测需求，选择调制方案中的一部分，从而节省观测时间，且保证了Stokes各分量偏振效率的最大化。

2. 本文对偏振仪的误差来源进行了分析，涵盖了校准单元和测量单元的主要元器件。本文对测量单元中元件的快轴方位角误差进行了讨论，并给出了液晶可调相位延迟器的电压和相位延迟量间关系的校准方法。另外，本文提出了一种校准单元的二次校准方法，可求解校准单元中四分之一波片的快轴方位角装调误差和线性二色性系数，进而有效提升校准单元的自身精度。

3. 本文对偏振仪进行了实验室测试，并给出了实验室测试结果。由测试数据可得到，基于本文提出的六幅图像调制方案，偏振仪的测量精度可达到3−7×10E−4量级，相较基于四幅图像调制方案提升了 1个数量级左右。此外，六幅图像调制方案在部分Stokes串扰信号上要优于四幅图像调制方案。

4. 本文最后探究了光谱仪的分辨率对磁场测量精度的影响。本文采用了卷积采样的方法，在He_I10830Å和He_ID₃ 5876Å波长下，对不同光谱分辨率下的Stokes 参量光谱进行了卷积与采样，并利用太阳磁场计算软件HAZEL反解磁场信息，由磁场测量精度判断光谱仪分辨率所造成的影响。模拟结果表明，当光谱仪光谱分辨率R<50,000时，磁场测量精度会收到影响。

本论文的主要创新点包括以下方面：

1. 本文设计了一种用于太阳磁场的高效率、高精度偏振成像仪，偏振仪采用了液晶可调相位延迟器进行调制，使用了渥拉斯顿棱镜实现双光束成像，引入了校准单元对潜在误差进行校正，并设计了一种基于六幅图像的偏振仪调制方案。基于本文提出的六幅图像调制方案，偏振仪的测量精度可达到3−7×10E−4量级，相较传统偏振仪的测量水平提升了一个数量级左右。

2. 本文设计了一种用于校准单元内部元器件的校准方案，使用优化算法，可对四分之一波片的快轴方位角误差和线性二色性系数进行校正。

3. 本文使用磁场计算软件，研究了在 He_I10830 Å 和 He_ID₃5876 Å 两条谱线下，光谱分辨率对磁场测量精度的影响。

本文针对太阳全日面磁场测量需求，展开了对高效率、高精度偏振测量仪器的研究，设计了一种用于太阳磁场测量的高效率、高精度偏振成像仪，并搭建了实验系统，进行性能验证。该仪器装调相对简单，能保证较高的测量精度和测量效率，测量精度可达到约 10E−4量级水平，在不同调制模式下，测量效率均可实
现最大化。