[论文解读] A Warm Near-Infrared High-Resolution Spectrograph with Very High Throughput (WINERED)

Sohei Kondo, Yuji Ikeda+16 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2015

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 4被引用 5

一句话总结

WINERED 是一款高 throughduct、低温近红外光谱仪，光谱分辨率高达 28,300，透过率超过 30%，采用常温光学元件和低温 HgCdTe 阵列。其在 10 米望远镜上实现了 J 波段极限星等 18–19，使对暗弱天体的高灵敏度高分辨率光谱观测成为可能。

ABSTRACT

WINERED is a newly built high-efficiency (throughput$ > 25-30\%$) and high-resolution spectrograph customized for short NIR bands at 0.9-1.35 ${ m μ}$m. WINERED is equipped with ambient temperature optics and a cryogenic camera using a 1.7 ${ m μ}$m cut-off HgCdTe HAWAII-2RG array detector. WINERED has two grating modes: one with a conventional reflective echelle grating (R$\sim$28,300), which covers 0.9-1.35 $μ$m simultaneously, the other with ZnSe or ZnS immersion grating (R$\sim$100,000). We have completed the development of WINERED except for the immersion grating, and started engineering and science observations at the Nasmyth platform of the 1.3 m Araki Telescope at Koyama Astronomical Observatory of Kyoto-Sangyo University in Japan. We confirmed that the spectral resolution ($R\sim$ 28,300) and the throughput ($>$ 40\% w/o telescope/atmosphere/array QE) meet our specifications. We measured ambient thermal backgrounds (e.g., 0.06 ${ m [e^{-}/sec/pixel]}$ at 287 K), which are roughly consistent with that we expected. WINERED is a portable instrument that can be installed at any telescope with Nasmyth focus as a PI-type instrument. If WINERED is installed on a 10 meter telescope, the limiting magnitude is expected to be J=18-19, which can provide high-resolution spectra with high quality even for faint distant objects.

研究动机与目标

• 开发一款高 throughduct、高分辨率的近红外光谱仪，以提升天文观测的灵敏度。
• 实现超过 25–30% 的透过率，使透过率翻倍于传统近红外光谱仪。
• 在 0.9–1.35 µm 波段内，利用 ZnSe/ZnS 浸入光栅实现高分辨率光谱学（R ~ 100,000）。
• 通过在 0.9–1.35 µm 窗口内以常温环境运行，最大限度降低热背景。
• 设计一种便携式、PI 型仪器，可部署于任意具有 Nasmyth 焦面的望远镜。

提出的方法

• 在宽波段模式下使用反射式 echelle 光栅，覆盖 0.9–1.35 µm 波段，常温下实现 R ~ 28,300 的光谱分辨率。
• 采用低温相机，配备 1.7 µm 截止波长的 HgCdTe HAWAII-2RG 阵列探测器，冷却至约 70 K。
• 在高分辨率模式下使用 ZnSe 或 ZnS 浸入光栅，实现 R ~ 100,000 的光谱分辨率。
• 除相机和探测器外，所有光学元件均在常温下运行，以降低热背景并简化系统复杂度。
• 测量 287–299 K 范围内的环境热背景，以验证热背景模型并优化性能。
• 基于不同望远镜（1.3 米至 10 米）的透过率、量子效率和环境热背景值，估算探测极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 一款常温、高 throughduct 的光谱仪是否能在 0.9–1.35 µm 近红外波段实现超过 30% 的透过率？
• RQ2 常温下的环境热背景在多大程度上影响性能？其是否可被准确建模？
• RQ3 WINERED 在 10 米级望远镜上进行高分辨率光谱学时，可实现的极限星等是多少？
• RQ4 便携式、PI 型光谱仪是否能有效部署于多种望远镜上并保持一致性能？
• RQ5 在灵敏度和背景方面，浸入光栅模式（R ~ 100,000）与 echelle 模式（R ~ 28,300）的性能相比如何？

主要发现

• WINERED 在工程观测中实现了 R ~ 28,300 的光谱分辨率，且透过率超过 40%（不包括望远镜、大气和阵列量子效率）
• 在 287 K 时测得的环境热背景为 0.06 e⁻/sec/pixel，与理论预期一致，并随温度降低而减小
• 当 WINERED 安装在 10 米望远镜上时，J 波段的极限星等估计为 m_J = 18–19，假设背景条件最优
• 热背景计数与环境温度密切相关，从 287 K 时的 ~0.06 e⁻/sec/pixel 下降至 299 K 时的 ~0.14 e⁻/sec/pixel
• 该仪器紧凑的设计（1.8 m × 1.0 m × 0.5 m，约 250 kg）使其可作为 PI 型仪器部署于任意具有 Nasmyth 焦面的望远镜
• 将热背景数据外推至 273 K 表明，在 280 K 以下可实现背景受限性能，支持未来低温运行