365彩票官网

余苗; 李建聪; 林宏安; 黄耀樟; 罗佳雄; 伍雁雄; 王智

doi:10.37188/CO.2023-0006

365彩票官网

doi: 10.37188/CO.2023-0006

余苗 ^1,,
李建聪 ¹,
林宏安 ¹,
黄耀樟 ¹,
罗佳雄 ¹,
伍雁雄 ^{1, 3,,},
王智 ^{2, 4,,}

1.
佛山科学技术学院物理与光电工程学院, 广东佛山 528000
2.
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春 130033
3.
季华实验室, 广东佛山 528000
4.
国科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院, 浙江杭州 310024

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： [email protected]

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：[email protected]

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：[email protected]

中图分类号:O439
计量
- 文章访问数: 179
- HTML全文浏览量: 86
- PDF下载量: 131
- 被引次数: 0
365赌球官网平台
- 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

365彩票官网网页版

YU Miao ^{1
,},
LI Jian-cong ¹,
LIN Hong-an ¹,
HUANG Yao-zhang ¹,
LUO Jia-xiong ¹,
WU Yan-xiong ^{1, 3
,,},
WANG Zhi ^{2, 4
,,}

1.
School of Physics and Optoelectronic Engineering, Foshan University, Foshan 528000, China
2.
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
3.
Jihua Laboratory, Foshan 528000, China
4.
School of Fundamental Physics and Mathematical Sciences, Hangzhou Institute for Advanced Study, Hangzhou 310024

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

Corresponding author: [email protected]; [email protected]

摘要

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。
- 望远镜 /
- 空间引力波探测 /
- 波前误差 /
- 低灵敏度 /
- 光学设计
Abstract:
The Taiji program is a key task for China's space gravitational wave detection, and as an important part of space gravitational wave detection, the telescope's performance will directly affect the accuracy of gravitational wave detection. For the existing typical space gravitational wave telescope structures, due to the high sensitivity of secondary mirror, it is difficult to meet the requirements for manufacturing and adjustment tolerance of larger aperture space gravitational wave telescopes, especially the tolerance requirements for in-orbit stability. In order to solve the above problems, firstly, a new optical system structure of space gravitational wave telescope with intermediate image plane set between three and four mirrors is proposed to reduce the sensitivity of the secondary mirror. Combined with the theoretical method of Gaussian optics, the initial parameters of the structure of the new telescope are theoretically analyzed and calculated. Secondly, through the optimization design, a telescope optical system with a pupil diameter of 400 mm, a magnification of 80 times, a field of view of ± 8 μrad, and a wavefront error RMS value of better than 0.0063λ was obtained. Finally, the sensitivity evaluation tolerance allocation table of the telescope system is established, and the tolerances of the existing telescope structure and the new telescope structure are compared and analyzed. Compared with the existing telescope structure, the sensitivity of the new telescope structure is reduced by 30.4%. The results show that the new telescope structure has the advantage of low sensitivity, which provides an optimal scheme for the design of space gravitational wave telescopes.
- telescope /
- space gravitational wave detection /
- wavefront error /
- low sensitivity /
- optical design

HTML全文

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

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 优化后的新型望远镜结构

Figure 2. Optimized new telescope structure

下载: 全尺寸图片幻灯片

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

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 优化后的现有望远镜结构

Figure 4. Optimized existing telescope structure

下载: 全尺寸图片幻灯片

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

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 公差分析结果

Figure 6. Tolerance analysis results

下载: 全尺寸图片幻灯片

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

下载: 全尺寸图片幻灯片

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

下载: 全尺寸图片幻灯片

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
激光束放大倍数	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
α ₂	（$0,1 $）	0.113924050
α ₃	（$ 0,\infty $）	0.060710194
α ₄	（$0,\infty$）	1.820512820
β ₂	（−$\infty,0$）	−9.700000000
β ₃	（$0,\infty$）	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	绕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
	绕X轴倾斜( ″)	-	±10	±10	±10
	绕Y轴倾斜( ″)	-	±10	±10	±10
	绕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
绕X轴倾斜( ″)	次镜	10	0.00846399
绕Y轴倾斜( ″)	次镜	−10	0.00752685
绕Y轴倾斜( ″)	次镜	10	0.00752685
绕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
绕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

参考文献(15)

[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]. 红外与激光工程,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]. 激光与光电子学进展,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