中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

LAMOST作为我国首个天文类国家重大科技基础设施，开创了国际大规模光谱巡天的先河，目前已高效稳定运行了14年，获取的光谱数据总量连续12年稳居全球第一，构建了世界上规模最大的光谱数据库。其3000万量级的光谱助力全球天文学家在银河系结构和演化方面开展了目前最为系统化的研究，并在搜寻致密天体、恒星物理、系外行星及类星体等领域取得了一系列突破性的原创成果。目前，LAMOST光谱巡天工作在光学波段，随着LAMOST研究领域不断拓展，亟需将LAMOST光谱仪工作波长延展到近红外波段。
本论文围绕LAMOST近红外光谱仪关键技术展开研究，聚焦近红外J波段光谱仪研制过程中的核心问题与技术瓶颈，完成了从理论基础建立、总体方案设计、核心光学系统设计、系统性能仿真、系统集成装调到实测性能验证和科学观测的全流程研究，形成了一套近红外多目标光纤光谱仪研制技术方案。主要研究内容与创新成果如下：
（1）基于红超巨星化学丰度分析与晚型恒星参数测定等核心科学目标、LAMOST现有光谱仪性能指标、光纤性能及可选近红外探测参数，综合多方因素确定LAMOST近红外光谱仪性能指标：科学有效工作波段900–1380 nm、光谱分辨率R≥1500、光纤数量≥100根、光谱仪本体效率≥35%。在此基础上，结合LAMOST光谱仪现有光纤狭缝和准直系统，并结合近红外焦面尺约束，确定通过新增近红外分色镜引出独立近红外光路，并采用VPH光栅、透射式相机和2×2拼接探测器焦面的总体光学方案。
（2）提出了一种大口径、快焦比、宽波段和高像质的透射式相机光学系统。针对F/1.3快焦比、200 mm通光口径和900–1380 nm宽波段条件下的复杂像差校正问题，设计了六片式非对称光学构型，采用“正—正—负—正—正—负”的光焦度分配，结合低色散CaF2、高色散重火石玻璃和熔石英组成的多元材料组合，实现了宽波段复消色差校正；同时在关键透镜表面引入偶次非球面，有效抑制快焦比系统中的高阶像差。设计结果表明，相机在全视场、全波段内RMS光斑半径均优于17μm，为近红外光谱仪实现高质量光谱成像提供了关键基础。该设计推动了国产大尺寸CaF2在国内天文光学仪器中的应用和发展。
（3）提出了一种基于多模式差动旋转的宽波段高效率光谱覆盖方案。针对2×2拼接探测器单次曝光无法覆盖完整工作波段的问题，利用VPH光栅角度调谐特性设计三种工作模式，使各子波段均处于光栅高衍射效率区域；结合光栅独立旋转与接收光路整体旋转的差动运动学模型，实现入射角调谐与衍射光轴补偿的协同。该方案在有限焦面尺寸和芯片间隙约束下，实现了宽波段连续覆盖与高效率光谱获取。
（4）开展了光谱仪系统性能仿真与分析。成像质量仿真表明，三种工作模式在常温下全视场、全波段RMS光斑半径均优于19μm；在10–25℃温度范围内，经焦面调焦补偿后像质可恢复至接近常温水平。杂散光分析采用鬼像追迹与光机一体化非序列光线追迹相结合的方法，结果表明，系统杂散光均处于较低水平。科学性能仿真验证了波长覆盖、光谱分辨率和通光效率均满足设计指标。拼接焦面平整度仿真表明，50μm PV范围内的芯片相对高度差对光谱线廓展宽影响有限，能够满足全视场像质一致性要求。公差分析识别了系统敏感元件，并通过蒙特卡洛分析验证了系统在加工与装调误差下的稳健性。
（5）完成了近红外光谱仪的系统集成、实测性能验证和科学观测。在完成光谱仪整机集成与装调的基础上，建立了满足样机性能测试需求的光谱图像处理流程。实测结果表明，三模式联合工作可完整覆盖900–1380 nm科学有效工作波段；全狭缝条件下中心波长处分辨率约为1300，限缝后可满足R≥1500的科学需求；光谱仪本体峰值效率优于55.6%；拼接焦面一致性光学验证为几何平整度测量结果提供了独立佐证。基于连续定标灯谱序列的稳定性分析表明，仪器在单夜观测过程中具有良好的光谱位置稳定性。科学观测进一步表明，该仪器能够获取不同类型恒星的近红外光谱，并识别氢帕邢系、金属中性原子线等典型J波段光谱特征。
该光谱仪具备高通光效率、宽波段覆盖和百根量级多目标观测能力，现已安装于国家重大科技基础设施LAMOST并投入科学观测，将LAMOST光谱巡天能力从光学波段拓展至近红外J波段，为我国大型望远镜近红外多目标光谱巡天技术发展提供了重要支撑。