中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

高分辨率高精度天文光谱探测已成为天文学领域的重要诉求，这种诉求推动着光谱仪朝高光谱分辨率，高定标精度方向发展。目前，典型的天文光谱仪都采用大尺寸阶梯光栅作为主色散元件，构造庞大、造价昂贵、稳控难、受狭缝影响降低分辨率。相比之下，虚拟成像相位阵列(Virtual imaged phase array，VIPA)结构小巧简单、色散能力出众、易结合光梳定标，且分辨率不受狭缝宽度影响，在天文领域有十分重要的应用前景。

但是当前面向天文的VIPA光谱技术在带宽与定标精度方面还存在不足。首先，可见及近红外波段的高分辨率VIPA光谱技术带宽只有20 nm，一定程度上限制了VIPA的天文应用场景。其次，当前面向天文的VIPA光谱技术采用双通道光纤输入模式，通道间易受环境干扰，使同步定标精度下降。为解决这些问题，我们针对VIPA光谱技术带宽和定标精度的提升开展了一系列研究工作以推动VIPA在天文上的应用，主要研究工作如下：

建立了数值模型，研究了不同参数下VIPA光谱色散特性，包括VIPA的厚度、干涉光束数量、光束入射角、干涉光能量均匀性及VIPA的缺陷精细度。分析了各参数变化对VIPA光谱色散特性的影响规律，为宽带和双通道VIPA光谱技术的研究和光谱仪的研制提供理论指导。

通过分析宽带VIPA光谱特征，发现了现存VIPA光谱定标方法的不足，并提出了专门的宽带VIPA光谱定标方法：针对宽带梳齿频率定标，提出了奇偶条纹定标法，在奇偶条纹分别对频率和位置进行匹配从而实现在任意光谱范围梳齿的频率定标；针对条纹间串扰、梳齿间串扰、正交色散与smile效应的影响分别提出采用最优像素叠加法、三洛伦兹拟合法、五阶多项式拟合法以提升绝对波长定标精度。

从理论与实验两方面对宽带VIPA光谱技术进行了研究。提出了宽带VIPA光谱设备的设计流程。通过对色散、成像、准直系统各组件在宽光谱范围下需要满足的参数条件进行分析，确定了宽带VIPA光谱技术的实现方法，并通过计算获得了一组参数实例。在此基础上，设计并构建了一台宽光谱范围的VIPA光谱仪，并对光谱仪的光谱范围，分辨率和波长定标精度等关键参数的影响因素及提升方法进行了研究。研究结果表明，光谱仪实现了超过65万的光谱分辨率，优于0.05 pm的波长定标精度，以及110 nm的光谱范围。

提出了采用双通道光波导芯片作为新型的光谱输入器件的方案，利用波导通道间的高稳定性，实现更高的同步定标精度。通过理论分析与数值计算设计出满足双通道光谱条件的光波导芯片，并基于光波导输入构建了双通道同步定标VIPA光谱仪。对不同环境下的光谱仪稳定性研究结果表明，该光谱仪实现了在短期振动条件下优于0.6 m/s的同步定标精度，长期非稳定环境下优于2.1 m/s的同步定标精度，远超相似条件下的双光纤输入VIPA光谱仪约12.9 m/s的同步定标精度。