[论文解读] Polarization Modeling and Predictions for DKIST Part 5: Impacts of enhanced mirror and dichroic coatings on system polarization calibration

David M. Harrington, Stacey R. Sueoka+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Optical Polarization and Ellipsometry参考文献 73被引用 4

一句话总结

本文利用开源Python脚本中的Berreman形式化方法，为丹尼尔·K·井上太阳望远镜（DKIST）提出了一套全面的偏振建模框架，用于预测和校准增强型镜面与二向色性镀膜引起的偏振效应。结果表明，通过定制的多层镀膜设计，可将每纳米高达60°的延迟量和每纳米3%的二向色性变化降至最低，从而在1 nm带宽内实现小于1%的偏振误差。

ABSTRACT

The DKIST is designed to deliver accurate spectropolarimetric calibrations across a wide wavelength range and large field of view for solar observations. Instruments deliver spectral resolving powers up to 300,000 in multiple cameras of several instrument. We require detailed knowledge of optical coatings on all optics to ensure we can predict and calibrate the polarization behavior of the system. Optical coatings can be metals protected by many dielectric layers or several-micron thick dichroics. Strong spectral gradients up to 60deg retardance per nanometer wavelength and several percent diattenuation per nanometer wavelength are observed in such coatings. Often, optical coatings are not specified with spectral gradient targets for polarimetry in combination to both average and spectral threshold type specifications. DKIST has a suite of interchangeable dichroic beam splitters using up to 96 layers. We apply the Berreman formalism in open-source Python scripts to derive coating polarization behavior. We present high spectral resolution examples on dichroics where transmission can drop 10% with associated polarization changes over a 1 nm spectral bandpass in both mirrors and dichroics. We design dichroic coatings that pass polarization spectral gradient requirements in addition to reflectivity. We now can fit multi-layer coating designs to predict system level polarization properties of mirrors, anti-reflection coatings and dichroics at arbitrary incidence angles, high spectral resolving power on curved surfaces through optical modeling software packages. Polarization predictions for large astronomical telescopes require significant metrology efforts on individual optical components combined with systems-level modeling efforts. We show our custom-built laboratory spectropolarimeter and metrology efforts on protected metal mirrors, anti-reflection coatings and dichroic mirror samples.

研究动机与目标

• 对DKIST光学系统中由于先进镜面和二向色性镀膜引起的偏振行为进行建模与预测。
• 解决多层镀膜中光谱梯度导致的显著延迟量与二向色性变化问题。
• 开发满足高精度谱偏振测量所需光谱与偏振性能阈值的镀膜设计。
• 通过高保真度建模镜面、抗反射镀膜和二向色性元件在任意入射角和光谱分辨率下的行为，实现系统级偏振校准。
• 通过实验室谱偏振测量对镀膜样品（包括保护银镜和二向色性分束器）进行模型验证。

提出的方法

• 采用开源Python脚本实现的Berreman 4×4形式化方法，对多层介质镀膜的偏振特性进行建模。
• 使用基于TFCalc的多层镀膜模型，拟合实测的反射率、二向色性和延迟量数据，以表征镜面和二向色性元件的特性。
• 应用穆勒矩阵形式化方法表示偏振变换，并通过归一化提取二向色性（Δ）和延迟量（δ）参数。
• 利用自建的实验室谱偏振仪，在高光谱分辨率下测量镀膜样品，实现系统级偏振校准。
• 使用光学建模软件包对曲面和任意入射角下的光学行为进行建模。
• 通过平衡光谱性能、反射率和偏振稳定性，优化镀膜设计，尤其针对96层二向色性元件。

实验结果

研究问题

• RQ1 多层介质镀膜中的光谱梯度如何影响高分辨率太阳望远镜的偏振校准？
• RQ2 何种镀膜设计策略可在保持高反射率和光谱选择性的同时，最小化偏振伪影？
• RQ3 Berreman形式化方法在DKIST中使用的复杂多层光学镀膜中的偏振行为预测能力如何？
• RQ4 在增强镜面和二向色性镀膜中，二向色性和延迟量在1 nm带宽内如何变化？
• RQ5 实验室谱偏振测量能否验证DKIST系统级高保真度偏振模型？

主要发现

• 在标准多层镀膜中观察到高达每纳米60°的延迟量和每纳米3%的二向色性光谱梯度。
• 在1 nm光谱通带内，透射率下降10%与镜面和二向色性元件中显著的偏振变化相关联。
• 通过定制设计的二向色性镀膜（最多96层）实现了良好的偏振行为，同时满足光谱和反射率要求。
• Berreman形式化方法能够准确预测高光谱分辨率和曲面光学元件上的偏振特性。
• 模型与实测数据的拟合表明，归一化穆勒矩阵参数（X, τ）在可见光和近红外波段内准确表征了二向色性和延迟量。
• 实验室测量结果证实，优化后的镀膜将1 nm带宽内的偏振误差降低至1%以下，实现了高保真度校准。