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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

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]. 中国光学(中英文), 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]. 中国光学(中英文), 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 between X-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 between Y-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/mm400
    工作波长/nm1064
    捕获视场/μrad±200
    科学视场/μrad±8
    激光束放大倍数80
    波前质量(科学视场内)λ/30(λ=1064 nm)
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    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
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    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/mmX轴倾斜/(°)
    主镜−1579.701−700.0−1.000−270.00.00
    次镜−200.025820.0−1.503−270.00.00
    三镜360.730−250.00.000−268.0−2.80
    四镜301.309240.10.000−288.5−1.32
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    表  4  出瞳处的波前误差

    Table  4.   Wavefront errors at the exit pupil

    视场 /μradRMS(λ = 1064 nm)PV(λ = 1064 nm)
    (0,0)0.0063λ0.0349λ
    (0,5.6)0.0063λ0.0351λ
    (0,8.0)0.0063λ0.0352λ
    (0,−5.6)0.0063λ0.0346λ
    (0,−8.0)0.0063λ0.0345λ
    (5.6,0)0.0063λ0.0349λ
    (8.0,0)0.0063λ0.0349λ
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    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
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    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
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    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
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    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180.03588128
    Y向偏心(μm)次镜−180.03483910
    X向偏心(μm)次镜180.03354102
    X向偏心(μm)次镜−180.03354102
    二次曲面系数主镜−0.00010.01435808
    二次曲面系数主镜0.00010.01257815
    X轴倾斜( ″)次镜100.00846399
    Y轴倾斜( ″)次镜−100.00752685
    Y轴倾斜( ″)次镜100.00752685
    X轴倾斜( ″)次镜−100.00744224
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    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−180.04193880
    X向偏心(μm)次镜180.03553085
    X向偏心(μm)次镜−180.03553085
    Y向偏心(μm)次镜180.03329243
    二次曲面系数主镜0.00010.01654640
    二次曲面系数主镜−0.00010.00907945
    X轴倾斜( ″)次镜100.00695408
    曲率半径(mm)次镜0.20.00588237
    面型误差(λ=1064 nm)主镜λ/1000.00479811
    二次曲面系数次镜−0.00040.00368115
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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

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