[论文解读] MITS: the Multi-Imaging Transient Spectrograph for SOXS

Adam Rubin, Sagi Ben-Ami+48 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文介绍了为SOXS设计的多波段暂现光谱仪（MITS）的光学系统，该仪器为欧洲南方天文台3.6米新技术望远镜（NTT）配备的中等分辨率光谱仪（R ~ 4500）。其采用四块离子刻蚀光栅在一级衍射级次（m=1）工作，通过二向色镜将光谱分割为四个准级次，由单个三元件猫道普特式相机同时成像，系统透过率超过60%，实现了在350–850 nm波段内光谱分辨率大于3500的高效暂现源后续观测。

ABSTRACT

The Son Of X-Shooter (SOXS) is a medium resolution spectrograph R~4500 proposed for the ESO 3.6 m NTT. We present the optical design of the UV-VIS arm of SOXS which employs high efficiency ion-etched gratings used in first order (m=1) as the main dispersers. The spectral band is split into four channels which are directed to individual gratings, and imaged simultaneously by a single three-element catadioptric camera. The expected throughput of our design is >60% including contingency. The SOXS collaboration expects first light in early 2021. This paper is one of several papers presented in these proceedings describing the full SOXS instrument.

研究动机与目标

• 应对由大视场巡天（如ZTF、ATLAS、PanSTARRS和LSST）发现的暂现源日益增长的专用光谱后续观测需求。
• 通过开发高透过率、中等分辨率的光谱仪设计，克服传统阶梯光栅光谱仪的局限性，以满足暂现源科学的需求。
• 通过创新的多色光束分束方法（利用二向色镜），实现在单次观测中同时获取多个光谱波段。
• 通过采用高效率的离子刻蚀光栅在一级级次（m=1）工作，最大化系统透过率，避免高阶阶梯光栅系统带来的复杂性与损耗。
• 确保在整个350–850 nm波段范围内实现优异性能，包括光谱分辨率>3500、峰值效率>25%，并最大限度减少杂散光与鬼影效应。

提出的方法

• 利用二向色镜将入射的紫外-可见光谱（350–850 nm）分割为四个准级次（每个约100–200 nm），以优化光栅效率。
• 采用定制的高效率离子刻蚀光栅在一级级次（m=1）工作，对每个准级次进行色散，相比高阶阶梯光栅系统可显著降低损耗。
• 使用基于MOONS设计的单个三元件猫道普特式相机同时成像四个色散光束，该相机由CaF₂校正镜、一面反射镜和熔融石英场镜平器组成。
• 优化相机以适配f/6.5的快速准直器和45 mm光束直径，确保在整个光谱范围内保持高透过率和成像质量。
• 采用Al6061、Invar和不锈钢材料的运动副安装结构，确保光学元件的机械稳定性、热稳定性以及精确对准。
• 通过在每个准级次中选取三个波长的连续光线追迹模型，对鬼影和杂散光进行严格分析，确认鬼影强度极低（相对于主信号约为6×10⁻⁶），无运行风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现中等分辨率光谱仪在暂现源后续观测中达到>60%的高透过率的最优光学配置？
• RQ2 如何有效将一级级次（m=1）工作的离子刻蚀光栅集成到多通道光谱仪设计中，以超越传统阶梯光栅系统？
• RQ3 光谱泄漏与二级衍射对系统性能有何影响？如何有效抑制？
• RQ4 机械设计如何确保在运行条件下多个光学元件的热稳定性和精确对准？
• RQ5 可容忍的鬼影与杂散光水平是多少？光学表面反射对背景噪声的实际贡献如何？

主要发现

• MITS设计在350–850 nm波段范围内实现了>60%的系统透过率，包括冗余设计，显著优于传统阶梯光栅光谱仪。
• 全波段内峰值光谱分辨率超过4700（λ/Δλ），1''狭缝下最小分辨率为3500，完全满足中等分辨率暂现源光谱观测需求。
• 探测器和场镜平器表面反射引起的鬼影被抑制至相对强度6×10⁻⁶，主要由于离焦和镀膜损耗，无运行风险。
• i波段光栅的二级衍射通过二向色镜泄漏被抑制至0.05²（即0.0025），并通过光栅优化进一步降低10–20%，并辅以级次阻断滤光片作为备份。
• 机械设计通过使用Invar材料和运动副安装结构，确保热稳定性，即使在温度波动下也能保持校正镜与主镜之间的对准与距离。
• 光线追迹模拟表明，仅场镜平器背面的漫反射对鬼影有贡献，其强度可忽略不计，验证了系统的光学洁净度。