[论文解读] Higher dispersion and efficiency Bragg gratings for optical spectroscopy

W. Saunders, Kai Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2018

Optical Coatings and Gratings参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出采用高角度布喇格型光栅——特别是表面浮雕（SR）或体全息（VPH）光栅——浸没于大棱镜中，以在高分辨率光学光谱学中实现更高的色散和效率。通过在极端角度下工作，该设计可在保持s-和p-偏振效率峰值对齐的同时，显著减小光谱仪的尺寸和成本，实现高达95%的效率，从而为大规模巡天（如多目标摄谱仪MSE）提供紧凑、高throughput的系统。

ABSTRACT

Massively multiplexed spectroscopic stellar surveys such as MSE present enormous challenges in the spectrograph design. The combination of high multiplex, large telescope aperture, high resolution (R~40,000) and natural seeing implies that multiple spectrographs with large beam sizes, large grating angles, and fast camera speeds are required, with high cost and risk. An attractive option to reduce the beam size is to use Bragg-type gratings at much higher angles than hitherto considered. As well as reducing the spectrograph size and cost, this also allows the possibility of very high efficiency due to a close match of s and p-polarization Bragg efficiency peaks. The grating itself could be a VPH grating, but Surface Relief (SR) gratings offer an increasingly attractive alternative, with higher maximum line density and better bandwidth. In either case, the grating needs to be immersed within large prisms to get the light to and from the grating at the required angles. We present grating designs and nominal spectrograph designs showing the efficiency gains and size reductions such gratings might allow for the MSE high resolution spectrograph.

研究动机与目标

• 解决为类似MSE的大型多目标恒星巡天设计紧凑、高throughput光谱仪的挑战。
• 通过在光栅设计中采用高光束角度，减小光谱仪的尺寸和成本。
• 通过极端光栅角度对齐s-和p-偏振效率峰值，实现高衍射效率。
• 探索在棱镜浸没配置中使用表面浮雕（SR）或VPH光栅以提升性能的可行性。
• 在大光束直径和快速相机系统下，实现高分辨率（R ~ 40,000）光谱学。

提出的方法

• 设计布喇格型光栅，使其工作角度显著高于传统光谱仪。
• 利用棱镜浸没技术，将光线以所需高入射角引导至光栅并从光栅出射。
• 优化光栅几何形状和材料，使s-和p-偏振效率峰值对齐，以实现最大整体效率。
• 利用表面浮雕（SR）光栅，以实现比VPH更高的最大线密度和更宽的带宽。
• 建立大光束直径和快速相机速度的光谱仪配置模型，以评估尺寸与效率之间的权衡。
• 模拟并分析光学波段内的效率性能，重点关注接近95%的峰值效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 浸没于棱镜中的高角度布喇格光栅是否能显著提升衍射效率，优于传统设计？
• RQ2 通过在极端角度下工作光栅，光谱仪的尺寸和成本能减少多少？
• RQ3 在高分辨率光谱学中，使用表面浮雕（SR）光栅与VPH光栅相比，在线密度和带宽方面有何差异？
• RQ4 通过优化光栅角度使s-和p-偏振效率峰值对齐时，可实现的效率是多少？
• RQ5 此类光栅设计能否满足下一代巡天（如MSE）对高复用和高分辨率的要求？

主要发现

• 所提出的高角度布喇格光栅设计通过对齐s-和p-偏振效率峰值，实现了高达95%的衍射效率。
• 棱镜浸没技术使光栅能在极端角度下工作，从而减小光束尺寸和光谱仪占地面积。
• 在该配置中，表面浮雕（SR）光栅相比VPH光栅具有更高的最大线密度和更宽的带宽。
• 该设计支持大光束直径和快速相机系统下的高分辨率光谱学（R ~ 40,000）。
• 由于紧凑的光束处理和高效率，光谱仪的尺寸和成本可显著降低。
• 该方法为实现紧凑、高throughput光谱仪以用于大规模天文巡天（如MSE）提供了切实可行的路径。