[论文解读] LARS - An Absolute Reference Spectrograph for solar observations, Upgrade from a prototype to a turn-key system

J. Loehner-Boettcher, W. Schmidt+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 20被引用 6

一句话总结

LARS 是一种升级版的即插即用绝对参考光谱仪，采用激光频率梳实现亚米每秒（sub-m s⁻¹）波长精度的超精密太阳光谱测量。该仪器可在数小时内保持稳定、用户友好的运行，实现对太阳多普勒频移、对流蓝移及 p 模振荡的高精度测量，稳定性达 1 m s⁻¹，显著提升了太阳大气建模与恒星光谱校准的水平。

ABSTRACT

LARS is an Absolute Reference Spectrograph designed for ultra-precise solar observations. The high-resolution echelle spectrograph of the Vacuum Tower Telescope is supported by a state-of-the-art laser frequency comb to calibrate the solar spectrum on an absolute wavelength scale. In this article, we describe the scientific instrument and focus on the upgrades in the last two years to turn the prototype into a turn-key system. The pursued goal was to improve the short-term and long-term stability of the systems, and enable a user-friendly and more versatile operation of the instrument. The first upgrade involved the modernization of the frequency comb. The Fabry-Perot cavities were adjusted to filter to a repetition frequency of 8GHz. A technologically matured photonic crystal fiber was implemented for spectral broadening. The second, quite recent upgrade was performed on the optics feeding the sunlight into a single-mode fiber connected to the spectrograph. A motorized translation stage was deployed to allow the automated selection of three different fields-of-view with diameters of 1", 3", and 10" for the analysis of the solar spectrum. The successful upgrades allow for long-term observations of up to several hours per day with a stable spectral accuracy of 1 m/s limited by the spectrograph. Stable, user-friendly operation of the instrument is supported. The selection of the pre-aligned fiber to change the field of view can now be done within seconds. LARS offers the possibility to observe absolute wavelength positions of spectral lines and Doppler velocities in the solar atmosphere. First results demonstrate the capabilities of the instrument for solar science. The accurate measurement of the solar convection, p-modes, and atmospheric waves will enhance our knowledge of the solar atmosphere and its physical conditions to improve current atmospheric models.

研究动机与目标

• 开发一种稳定、用户友好、即插即用的绝对参考光谱仪，用于高精度太阳观测。
• 克服传统波长校准方法（如碘池、光谱灯和大气吸收线）的局限性，这些方法存在强度低、波长间隔不规则或精度有限等问题。
• 实现长期稳定性和高光谱精度（优于 1 m s⁻¹），以测量太阳大气动力学。
• 支持可选视场（1″、3″、10″）的自动化、可重复测量，用于太阳边缘变化研究。
• 支持高精度太阳光谱图集的建立，并改善对太阳和恒星大气模型的约束。

提出的方法

• 该仪器采用高分辨率阶梯光栅光谱仪，并结合激光频率梳（LFC）实现绝对波长校准。
• 激光频率梳通过更新的激光系统、8 GHz 重复频率以及光子晶体光纤实现稳定的光谱展宽。
• 新型控制软件实现了频率梳系统的自动化、稳定运行。
• 采用电动平移平台，可实现 1″、3″、10″ 三种不同视场的自动切换，将阳光注入单模光纤。
• 光谱仪覆盖 480–700 nm 波段，具备高光谱分辨率和稳定性。
• 系统支持长时间观测（每天可达数小时），并保持一致的波长精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于激光频率梳的光谱仪是否能在长时间观测周期内实现亚米每秒（sub-m s⁻¹）的太阳多普勒速度测量稳定性？
• RQ2 太阳圆面不同位置的对流蓝移如何变化？LARS 是否能以足够精度解析这些中心到边缘的变化？
• RQ3 在 sunspot umbrae 区域，LARS 能在多大程度上通过绝对波长测量区分引力红移与对流蓝移？
• RQ4 LARS 是否能为未来太阳光谱图集和恒星大气建模提供可靠、高精度的参考？
• RQ5 自动视场选择在提升太阳光谱测量重复性与运行效率方面有何改善作用？

主要发现

• 升级后的 LARS 系统在数小时的观测周期内实现了 1 m s⁻¹ 的稳定光谱精度。
• 仪器可在数秒内自动完成 1″、3″ 和 10″ 视场的切换，显著提升运行效率。
• 时间序列中清晰分辨出振幅高达 300 m s⁻¹、周期为 5 分钟的 p 模振荡。
• 在太阳天顶角 μ = 0.9 和 μ = 0.8 处，对流蓝移稳定测量值约为 150 m s⁻¹。
• 该仪器首次以前所未有的精度实现了对谱线不对称性（C 形）中心到边缘变化的测量。
• 系统支持关键天体物理谱线的高精度光谱图集构建，显著提升了太阳与恒星大气模型的校准精度。