[论文解读] Simulations of the Spectral Resolving Power of a Compact Space-Borne Immersion-Echelle Spectrometer Using Mid-Infrared Wave Tracing

Satoshi Itoh, Daisuke Ishihara+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2022

Optical Coatings and Gratings参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文利用衍射光学仿真分析了一种紧凑型、空间搭载的浸没式阶梯光谱仪在中红外波段的光谱分辨力（R），重点研究了入射狭缝和光学像差的影响。结果表明，狭缝引起的衍射通过增加光栅的有效照明面积，提升了R；当存在狭缝时，像差对R的影响极小，与几何光学预测相反；而在无狭缝情况下，R的退化程度与斯特雷尔比的平方根相关。

ABSTRACT

We performed wave-optics-based numerical simulations at mid-infrared wavelengths to investigate how the presence or absence of entrance slits and optical aberrations affect the spectral resolving power $R$ of a compact, high-spectral-resolving-power spectrometer containing an immersion-echelle grating. We tested three cases of telescope aberration (aberration-free, astigmatism and spherical aberration), assuming the aberration budget of the Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA), which has a 20-$\mathrm{\mu m}$-wavelength diffraction limit. In cases with a slit, we found that the value of $R$ at around 10--20 $\mathrm{\mu m}$ is approximately independent of the assumed aberrations, which is significantly different from the prediction of geometrical optics. Our results also indicate that diffraction from the slit improves $R$ by enlarging the effective illuminated area on the grating window and that this improvement decreases at short wavelengths. For the slit-less cases, we found that the impact of aberrations on $R$ can be roughly estimated using the Strehl ratio.

研究动机与目标

• 利用衍射光学仿真评估一种紧凑型、高分辨率空间光谱仪的光谱分辨力（R）。
• 研究入射狭缝和光学像差对中红外浸没式阶梯光谱仪R的影响。
• 将衍射光学结果与几何光学预测进行比较，尤其关注像差和狭缝衍射的作用。
• 为基于斯特雷尔比估算无狭缝配置中像差引起的R退化提供实用框架。

提出的方法

• 使用Wyrowski VirtualLab Fusion（第二代技术）进行衍射光学仿真，以模拟光束通过光谱仪的传播过程。
• 模拟了三种望远镜像差情况：无像差、彗差和球差，基于SPICA的20-µm衍射极限。
• 对有狭缝和无狭缝两种配置进行了仿真，狭缝宽度设定为20 µm波长下无像差点扩散函数（PSF）FWHM的94%。
• 光谱分辨力R通过光谱线响应函数的半高全宽（FWHM）计算得出。
• 在无狭缝情况下，使用斯特雷尔比估算像差影响，并将R的退化与斯特雷尔比的平方根相关联。
• 通过理想衍射效率的周期性光栅函数的傅里叶变换建模光栅响应，并应用光栅方程以确定衍射级次。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中红外波段，入射狭缝的存在如何影响紧凑型浸没式阶梯光谱仪的光谱分辨力（R）？
• RQ2 光学像差（彗差、球差）在多大程度上会降低R？在有狭缝和无狭缝配置中，这些影响有何不同？
• RQ3 为何在存在狭缝时，观测到的R在不同像差类型下保持相对恒定，与几何光学预测相反？
• RQ4 狭缝衍射如何影响光栅的有效照明面积，从而影响R，特别是在不同波长下？
• RQ5 斯特雷尔比能否作为估算无狭缝光谱仪设计中像差引起的R退化的可靠代理指标？

主要发现

• 在有狭缝配置下，10–20 µm波段的光谱分辨力R大致与所假设的望远镜像差无关，表明存在强烈的空间滤波效应，可抑制像差引起的退化。
• 狭缝的存在通过衍射效应增加光栅的有效照明面积，从而提升R，且该增强效应在长波长下更为显著。
• 由于在短波长下衍射效应相对于光束尺寸变得不那么有效，因此由狭缝衍射引起的R提升随波长减小而减弱。
• 在无狭缝配置中，像差对R的影响可粗略地通过斯特雷尔比的平方根进行估算，为性能评估提供实用指标。
• 结果与几何光学预测相矛盾，后者假设R仅取决于像差且与波长无关——这一差异通过衍射光学建模得以解释。
• 仿真结果表明，衍射光学在中红外光谱仪中对R的准确估算至关重要，因为仅靠光线追迹无法捕捉到衍射和波前效应。