留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

低灵敏度空间引力波望远镜光学系统设计

余苗,李建聪,林宏安,黄耀樟,罗佳雄,伍雁雄,王智

downloadPDF
余苗, 李建聪, 林宏安, 黄耀樟, 罗佳雄, 伍雁雄, 王智. 低灵敏度空间引力波望远镜光学系统设计[J]. , 2023, 16(6): 1384-1393. doi: 10.37188/CO.2023-0006
引用本文: 余苗, 李建聪, 林宏安, 黄耀樟, 罗佳雄, 伍雁雄, 王智. 低灵敏度空间引力波望远镜光学系统设计[J]. , 2023, 16(6): 1384-1393.doi:10.37188/CO.2023-0006
YU Miao, LI Jian-cong, LIN Hong-an, HUANG Yao-zhang, LUO Jia-xiong, WU Yan-xiong, WANG Zhi. Design of optical system for low-sensitivity space gravitational wave telescope[J]. Chinese Optics, 2023, 16(6): 1384-1393. doi: 10.37188/CO.2023-0006
Citation: YU Miao, LI Jian-cong, LIN Hong-an, HUANG Yao-zhang, LUO Jia-xiong, WU Yan-xiong, WANG Zhi. Design of optical system for low-sensitivity space gravitational wave telescope[J].Chinese Optics, 2023, 16(6): 1384-1393.doi:10.37188/CO.2023-0006

低灵敏度空间引力波望远镜光学系统设计

doi:10.37188/CO.2023-0006
基金项目:国家自然科学基金(No. 62075214);广东省科技计划项目(No. X190311UZ190);广东省重点领域研发计划项目(No. 2020B1111040001)
详细信息
    作者简介:

    余 苗(2001—),女,四川南充人,硕士研究生,2020年于佛山科学技术学院获得学士学位,现于佛山科学技术学院攻读硕士学位,主要从事空间引力波望远镜光学系统方面的研究。E-mail:1150457865@qq.com

    伍雁雄(1982—),男,湖南邵阳人,博士,教授,硕士生导师,主要研究方向为航空航天光学系统设计和光学仪器研制。E-mail:364477424@qq.com

    王 智(1978—),男,山东寿光人,博士,研究员,博士生导师,2006年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得工学博士学位,主要研究方向为空间引力波探测中的高精密测量技术。E-mail:wz070611@126.com

  • 中图分类号:O439

Design of optical system for low-sensitivity space gravitational wave telescope

Funds:Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 62075214); Guangdong Science and Technology Program (No. X190311UZ190); Guangdong Key Field R&D Program (No. 2020B1111040001)
More Information
  • 摘要:

    太极计划是中国探测空间引力波的一项重点任务。望远镜作为空间引力波探测中的重要组成部分,它的性能会直接影响引力波探测的精度。现有的典型空间引力波望远镜结构中次镜灵敏度高,难以满足更大口径的空间引力波望远镜对制造装调公差的要求,特别是在轨稳定性公差要求。为解决以上问题,首先,提出了一种中间像面设置于三四镜之间的新型空间引力波望远镜光学系统结构,以降低次镜灵敏度;结合高斯光学理论方法,从理论上分析并计算新型望远镜结构的初始参数。其次,通过优化设计,获得入瞳直径为400 mm,放大倍率为80倍,科学视场为±8 μrad,波前误差RMS值优于0.0063λ的望远镜光学系统。最后,建立了望远镜系统的灵敏度评价公差分配表,对比分析了现有望远镜结构与新型望远镜结构的公差情况。结果显示:相较于现有望远镜结构,新型望远镜结构的灵敏度降低了30.4%,具有低灵敏度优势,为空间引力波望远镜的设计提供了一种优选方案。

  • 图 1新型望远镜系统的初始结构图

    Figure 1.Initial structural diagram of the new telescope system

    图 2优化后的新型望远镜结构

    Figure 2.Optimized new telescope structure

    图 3出瞳处不同视场的波前图

    Figure 3.Wavefront diagrams of different fields of view at the exit pupil

    图 4优化后的现有望远镜结构

    Figure 4.Optimized existing telescope structure

    图 5现有望远镜结构经优化后的波前误差图

    Figure 5.Wavefront error diagram of existing telescope structure

    图 6公差分析结果

    Figure 6.Tolerance analysis results

    图 7新型和现有望远镜结构的次镜X向偏心与波前关系

    Figure 7.Relationships betweenX-eccentricities and wavefronts of the secondary mirror in the new and existing telescope structures

    图 8新型和现有望远镜结构的次镜Y向偏心与波前关系

    Figure 8.Relationships betweenY-eccentricities and wavefronts of the secondary mirror in the new and existing telescope structures

    表 1望远镜系统的技术指标

    Table 1.Specifications of telescope system

    系统参数 技术指标
    光学口径/mm 400
    工作波长/nm 1064
    捕获视场/μrad ±200
    科学视场/μrad ±8
    束放大倍数 80
    波前质量(科学视场内) λ/30(λ=1064 nm)
    下载: 导出CSV

    表 2本文提出光学系统的结构参数

    Table 2.Structural parameters of the proposed optical system

    结构参数 取值范围 取值
    α2 ($0,1 $) 0.113924050
    α3 ($ 0,\infty $) 0.060710194
    α4 ($0,\infty$) 1.820512820
    β2 (−$\infty,0$) −9.700000000
    β3 ($0,\infty$) 1.471698113
    下载: 导出CSV

    表 3优化后的光学系统镜头数据

    Table 3.Lens parameters of optimized optical system

    曲率半径/mm 间隔/mm 圆锥系数 Y向偏心/mm X轴倾斜/(°)
    主镜 −1579.701 −700.0 −1.000 −270.0 0.00
    次镜 −200.025 820.0 −1.503 −270.0 0.00
    三镜 360.730 −250.0 0.000 −268.0 −2.80
    四镜 301.309 240.1 0.000 −288.5 −1.32
    下载: 导出CSV

    表 4出瞳处的波前误差

    Table 4.Wavefront errors at the exit pupil

    视场 /μrad RMS(λ= 1064 nm) PV(λ= 1064 nm)
    (0,0) 0.0063λ 0.0349λ
    (0,5.6) 0.0063λ 0.0351λ
    (0,8.0) 0.0063λ 0.0352λ
    (0,−5.6) 0.0063λ 0.0346λ
    (0,−8.0) 0.0063λ 0.0345λ
    (5.6,0) 0.0063λ 0.0349λ
    (8.0,0) 0.0063λ 0.0349λ
    下载: 导出CSV

    表 5公差分配表

    Table 5.Tolerance distribution

    类型 公差项 主镜 次镜 三镜 四镜
    加工公差 曲率半径(mm) ±0.3 ±0.2 ±0.5 ±0.1
    二次曲面系数 ±0.0001 ±0.0004 - -
    面型误差(λ=1064 nm) ±λ/100 ±λ/100 ±λ/200 ±λ/200
    装调误差 X向偏心(μm) - ±18 ±18 ±18
    Y向偏心(μm) - ±18 ±18 ±18
    Z向位移(μm) - ±20 ±20 ±20
    X轴倾斜( ″) - ±10 ±10 ±10
    Y轴倾斜( ″) - ±10 ±10 ±10
    Z轴倾斜( ″) - ±10 ±10 ±10
    下载: 导出CSV

    表 6新型望远镜结构波前误差累计概率

    Table 6.Cumulative probability of wavefront error of the proposed telescope structure

    累计概率 全视场波前误差变化(λ=1064 nm)
    2% 0.00683λ
    10% 0.01126λ
    20% 0.01478λ
    50% 0.02255λ
    80% 0.03235λ
    90% 0.03859λ
    98% 0.04824λ
    下载: 导出CSV

    表 7现有望远镜结构波前误差累计概率

    Table 7.Cumulative probability of wavefront error in existing telescope structures

    累计概率 全视场波前误差变化(λ=1064 nm)
    2% 0.00807λ
    10% 0.01278λ
    20% 0.01727λ
    50% 0.02773λ
    80% 0.04124λ
    90% 0.04642λ
    98% 0.05660λ
    下载: 导出CSV

    表 8新型望远镜结构中最灵敏的10项公差项

    Table 8.The 10 most sensitive tolerance terms in new telescope structure

    类型 反射镜面 数值 影响量
    Y向偏心(μm) 次镜 18 0.03588128
    Y向偏心(μm) 次镜 −18 0.03483910
    X向偏心(μm) 次镜 18 0.03354102
    X向偏心(μm) 次镜 −18 0.03354102
    二次曲面系数 主镜 −0.0001 0.01435808
    二次曲面系数 主镜 0.0001 0.01257815
    X轴倾斜( ″) 次镜 10 0.00846399
    Y轴倾斜( ″) 次镜 −10 0.00752685
    Y轴倾斜( ″) 次镜 10 0.00752685
    X轴倾斜( ″) 次镜 −10 0.00744224
    下载: 导出CSV

    表 9现有望远镜结构中最灵敏的10项公差项

    Table 9.The 10 most sensitive tolerance terms in existing telescope structures

    类型 反射镜面 数值 影响量
    Y向偏心(μm) 次镜 −18 0.04193880
    X向偏心(μm) 次镜 18 0.03553085
    X向偏心(μm) 次镜 −18 0.03553085
    Y向偏心(μm) 次镜 18 0.03329243
    二次曲面系数 主镜 0.0001 0.01654640
    二次曲面系数 主镜 −0.0001 0.00907945
    X轴倾斜( ″) 次镜 10 0.00695408
    曲率半径(mm) 次镜 0.2 0.00588237
    面型误差(λ=1064 nm) 主镜 λ/100 0.00479811
    二次曲面系数 次镜 −0.0004 0.00368115
    下载: 导出CSV
  • [1] MILLER M C, YUNES N. The new frontier of gravitational waves[J].Nature, 2019, 568(7753): 469-476.doi:10.1038/s41586-019-1129-z
    [2] ESA. LISA assessment study report (Yellow Book)[EB/OL]. https://sci.esa.int/documents/35005/36499/1567258681608-LISA_YellowBook_ESA-SRE-2011-3_Feb2011.pdf. (2011-10-11)
    [3] LUO Z R, WANG Y, WU Y L,et al. The Taiji program: a concise overview[J].Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2021, 2021(5): 05A108.doi:10.1093/ptep/ptaa083
    [4] TIAN Y CH. Research on the analytical development and progress of gravitational wave detection technology[J].Journal of Physics:Conference Series, 2021, 2083(2): 022043.doi:10.1088/1742-6596/2083/2/022043
    [5] ZHAO Y, SHEN J, FANG CH,et al. Tilt-to-length noise coupled by wavefront errors in the interfering beams for the space measurement of gravitational waves[J].Optics Express, 2020, 28(17): 25545-25561.doi:10.1364/OE.397097
    [6] 王智, 沙巍, 陈哲, 等. 空间引力波探测望远镜初步设计与分析[J]. 中国光学,2018,11(1):131-151.doi:10.3788/co.20181101.0131

    WANG ZH, SHA W, CHEN ZH,et al. Preliminary design and analysis of telescope for space gravitational wave detection[J].Chinese Optics, 2018, 11(1): 131-151. (in Chinese)doi:10.3788/co.20181101.0131
    [7] 陈胜楠, 姜会林, 王春艳, 等. 大倍率离轴无焦四反光学系统设计[J]. 中国光学,2020,13(1):179-188.doi:10.3788/co.20201301.0179

    CHEN SH N, JIANG H L, WANG CH Y,et al. Design of off-axis four-mirror afocal optical system with high magnification[J].Chinese Optics, 2020, 13(1): 179-188. (in Chinese)doi:10.3788/co.20201301.0179
    [8] 李建聪, 林宏安, 罗佳雄, 等. 空间引力波探测望远镜光学系统设计[J]. 中国光学(中英文),2022,15(4):761-769.doi:10.37188/CO.2022-0018

    LI J C, LIN H A, LUO J X,et al. Optical design of space gravitational wave detection telescope[J].Chinese Optics, 2022, 15(4): 761-769. (in Chinese)doi:10.37188/CO.2022-0018
    [9] ZHAO Y, SHEN J, FANG CH,et al. Far-field optical path noise coupled with the pointing jitter in the space measurement of gravitational waves[J].Applied Optics, 2021, 60(2): 438-444.doi:10.1364/AO.405467
    [10] 范纹彤, 赵宏超, 范磊, 等. 空间引力波探测望远镜系统技术初步分析[J]. 中山大学学报(自然科学版),2021,60(1):178-185.doi:10.13471/j.cnki.acta.snus.2020.11.02.2020b111

    FAN W T, ZHAO H CH, FAN L,et al. Preliminary analysis of space gravitational wave detection telescope system technology[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2021, 60(1): 178-185. (in Chinese)doi:10.13471/j.cnki.acta.snus.2020.11.02.2020b111
    [11] QIN Z CH, WANG X D, REN CH M,et al. Design method for a reflective optical system with low tilt error sensitivity[J].Optics Express, 2021, 29(26): 43464-43479.doi:10.1364/OE.447556
    [12] FAN Z CH, ZHAO L J, CAO SH Y,et al. High performance telescope system design for the TianQin project[J].Classical and Quantum Gravity, 2022, 39(19): 195017.doi:10.1088/1361-6382/ac8b57
    [13] 赵宇宸, 胡长虹, 吕恒毅, 等. 紧凑型偏视场多光路耦合同轴四反光学系统设计[J]. 红外与 工程,2021,50(3):20200197.doi:10.3788/IRLA20200197

    ZHAO Y CH, HU CH H, LV H Y,et al. Design of high-density coaxial four-mirror optical system with field-bias and multi-light-channel coupled[J].Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(3): 20200197. (in Chinese)doi:10.3788/IRLA20200197
    [14] 陈太喜, 伍雁雄, 宋绍漫, 等. 折叠式离轴三反光学系统设计与装调[J]. 与光电子学进展,2021,58(17):1722001.

    CHEN T X, WU Y X, SONG SH M,et al. Design and alignment of folded off-axis three-mirror optical system[J].Laser&Optoelectronics Progress, 2021, 58(17): 1722001. (in Chinese)
    [15] 马烈, 陈波. 三维成像载荷共孔径光学系统设计[J]. 光学 精密工程,2018,26(9):2326-2333.doi:10.3788/OPE.20182609.2326

    MA L, CHEN B. Optical design of a co-aperture system for 3-D remote sensing payload[J].Optics and Precision Engineering, 2018, 26(9): 2326-2333. (in Chinese)doi:10.3788/OPE.20182609.2326
  • 加载中
图(8)/ 表(9)
计量
  • 文章访问数:215
  • HTML全文浏览量:103
  • PDF下载量:152
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2023-01-09
  • 录用日期:2023-03-21
  • 修回日期:2023-02-05
  • 网络出版日期:2023-04-04

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map