[论文解读] Optical Design of the EXperiment for Cryogenic Large-Aperture Intensity Mapping (EXCLAIM)

Thomas M. Essinger-Hileman, Chmaytelli, Danny+24 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 68被引用 10

一句话总结

本文介绍了EXCLAIM的光学设计，这是一台搭载于高空气球的低温望远镜，采用90厘米非轴对称格雷戈里望远镜与反射式光学系统，在480 GHz波段实现22.5弧分视场范围内4.2弧分FWHM的角分辨率。该系统采用低温遮光罩和冷挡板，通过最小化对温暖部件的溢出照射来抑制热背景，实现低于-40 dB的边缘照明，经POPpy和CST仿真验证，适用于红移z < 1及z = 2.5–3.5的CO与[CII]线低背景强度映射。

ABSTRACT

This work describes the design and implementation of optics for EXCLAIM, the EXperiment for Cryogenic Large-Aperture Intensity Mapping. EXCLAIM is a balloon-borne telescope that will measure integrated line emission from carbon monoxide (CO) at redshifts $z&lt;1$ and ionized carbon ([CII]) at redshifts $z = 2.5-3.5$ to probe star formation over cosmic time in cross-correlation with galaxy redshift surveys. The EXCLAIM instrument is designed to observe at frequencies of $420$--$540$ GHz using six microfabricated silicon integrated spectrometers with spectral resolving power $R = 512$ coupled to kinetic inductance detectors (KIDs). A completely cryogenic telescope cooled to a temperature below 5~K provides low-background observations between narrow atmospheric lines in the stratosphere. Off-axis reflective optics use a $90$-cm primary mirror to provide $4.2^\prime$ full-width at half-maximum (FWHM) resolution at the center of the EXCLAIM band over a field of view of $22.5^\prime$. Illumination of the $1.7$ K cold stop combined with blackened baffling at multiple places in the optical system ensure low ($&lt; -40$ dB) edge illumination of the primary to minimize spill onto warmer elements at the top of the dewar.

研究动机与目标

• 通过高红移CO与[CII]线的微弱、积分线发射实现宇宙恒星形成历史的广域盲强度映射。
• 通过在给定谱线中映射所有发射而无选择性偏差，克服传统星系巡天的局限性。
• 通过将整个光学链路冷却至5 K以下（使用超流氦）实现低背景观测。
• 通过设计具有吸光遮光罩和冷挡板的低温系统，最小化热辐射与杂散光污染，抑制对温暖部件的溢出照射。
• 确保高角分辨率（4.2′ FWHM）与大视场（22.5′），以高效覆盖河外与银道面区域。

提出的方法

• EXCLAIM望远镜采用两镜非轴对称格雷戈里设计，包含一个90厘米抛物面主镜、一个10厘米抛物面次镜，以及一个30厘米折叠平面镜，以适配杜瓦容器的内部空间。
• 系统在接收光学筒内使用一个10厘米硅透镜，以整形光束并提高与光谱仪的耦合效率。
• 低温遮光罩安装于中间焦点位置及光学筒内部，以抑制杂散光并防止照射到温暖表面。
• 冷挡板冷却至1.7 K，并与黑色化遮光罩结合，实现主镜边缘照明低于-40 dB。
• 光学性能通过POPpy模拟（用于菲涅耳衍射传播）和CST微波工作室（用于高频全波电磁仿真）进行分析。
• 通过主镜照明分布的傅里叶变换分析光束图样，并与基于边缘削波与波长的解析模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 低温、气球载望远镜能否在宇宙学相关红移下实现足够的角分辨率（4.2′ FWHM）与大视场（22.5′），以实现CO与[CII]线的强度映射？
• RQ2 如何将杜瓦顶部温暖部件上的溢出照明抑制至-40 dB以下，以最小化热背景？
• RQ3 在非轴对称望远镜系统中，光学遮光罩的引入在多大程度上会降低远场光束性能？
• RQ4 基于边缘削波与波长的解析模型能否准确预测复杂照明条件下的真实非轴对称系统中的光束FWHM？
• RQ5 使用CST微波工作室进行高频电磁仿真，能否准确模拟包含真实遮光罩几何形状的完整光学系统的光束图样？

主要发现

• EXCLAIM光学系统在480 GHz波段实现4.2弧分FWHM光束宽度，满足在22.5弧分视场范围内进行强度映射的分辨率要求。
• 全系统POPpy仿真显示远场光束FWHM为4.33弧分，与目标分辨率高度一致。
• 光学遮光罩的引入将主镜上的溢出照明降低至-40 dB以下，显著抑制了热背景。
• 基于边缘削波与波长的光束FWHM解析估算值与仿真结果在波长上呈线性关系，差异在10^7分之一以内。
• CST微波工作室仿真（尚未完成）预计将验证POPpy结果，并确认对温暖表面的低溢出照射。
• 系统表现出稳健性能，遮光罩对光束的退化影响极小，如情况(i)与(ii)中模拟与估算光束宽度的微小差异所示。