天文光学频率梳及其在天体视向速度高精度测量中的应用

光学频率梳技术用于高分辨率天文光谱仪的波长定标可以大大提高视向速度测量精度,从而为搜寻类地行星、确定宇宙膨胀速度和测量基本物理常数等重大前沿科学问题提供有利的工具.文章结合视向速度测量技术与天文光学频率梳波长定标技术的最新进展,介绍了天文光学频率梳原理及技术,多普勒光谱位移探测天体的原理,以及天文光梳定标高分辨率天文光谱仪未来发展的趋势和展望.     

利用法布里-珀罗标准具提高天文高分辨光谱仪的波长定标精度

用于天文高分辨光谱波长定标的法布里-珀罗标准具(FPE)具有宽波长覆盖与密集透过峰序列的光谱,有望实现比传统定标源更高的波长定标精度。然而FPE透过峰波长是未知的,这为定标带来了挑战。本研究在不借助额外精密测量设备(如傅里叶变换光谱仪)情况下,使用天文高分辨光谱仪常规定标源钍氩灯(ThAr)为FPE提供波长信息,再利用FPE密集的透过峰序列以及电介质反射膜穿透深度与波长关系的平滑性质,修正波长信息中的误差,得到FPE透过峰精确的波长并完成波长定标。在兴隆2.16 m望远镜高分辨光纤光谱仪上的定标测试显示,FPE的波长定标精度达到0.053 pm,相比单独使用ThAr的波长定标精度(0.290 pm)有显著的提高。     

中国SONG项目高分辨光谱仪与高精度恒星震动视向速度测量

中国SONG项目(Stellar Observations Network Group)是中国天文界参与的一个国际合作的天文学研究计划。其核心是利用高分辩光谱仪获取恒星的时序光谱。光谱仪的分辨率根据科学目标的要求,用不同的狭缝宽度实现R=60 000～120 000。利用碘蒸汽发射线定标的方法,实现高达1 m·s-1的视向速度测量精度,以此测量恒星表面由于恒星震动产生的多普勒运动,并实现项目的科学目标。SONG光谱仪是项目的核心设备,将介绍光谱仪的性能和天体物理应用的参数,并给出实际测量结果。作为一个测量恒星表面多普勒运动时序数据的仪器,整个系统的长期稳定性是项目取得成功的关键,在此也将展示仪器稳定性方面的工作。     

光学频率梳非线性传输及其在相位噪声探测中的应用

光纤传递链路中相位噪声探测是基于光纤的精确射频标准传递系统中重要组成部分。为解决光纤链路相位噪声探测中节点反射干扰的问题, 本文基于广义非线性薛定谔方程, 理论上研究了窄带光学频率梳在色散位移光纤中的非线性光学传播特性。在理论分析的基础上, 结合密集波分复用架构, 提出了一种基于锁模光学频率梳进行光纤传递射频信号的相位噪声探测新技术, 克服了节点反射干扰, 给出了初步实验验证。     

应用于碳同位素丰度测量的激光频率刻度系统研究

对应用于激光吸收光谱法碳同位素丰度测量中的激光频率实时刻度系统进行研究. 采用不同自由光谱范围的共焦法布里-珀罗干涉仪对测量过程中的激光扫描频率进行实时测量. 分别采用线性内插法和多项式拟合法对激光频率每次扫描过程中的频率非线性进行分析,通过对4976–4980 cm^-1波段CO₂吸收谱的多次测量平均的实验结果与HITRAN-2008数据库相应的吸收峰数据进行比较,得到两种方法的激光频率刻度精度均可达到10^-4 cm^-1,线性内插法的刻度精度要好于多项式拟合法. 验证了激光频率实时刻度系统在碳同位素丰度测量中应用的可行性. 关键词： 激光频率实时刻度 共焦法布里-珀罗干涉仪 同位素丰度测量 激光吸收光谱法     

不同光谱型的低分辨率恒星光谱在不同信噪比条件下视向速度测量精度的分析

恒星的视向速度对于研究银河系的演化结构和动力学有很重要的意义,同时也是寻找变源和特殊天体的一种手段。不同的研究对其测量精度有不一样的要求。使用模板匹配的方法计算不同类型的低分辨率可见光波段恒星光谱的视向速度精度,从而为不同方面的科学研究提供有效可靠的参考。分别选取不同光谱型高信噪比的美国斯隆巡天恒星光谱,并加以噪声来模拟不同信噪比条件下的恒星光谱。通过分别计算这些恒星样本的视向速度,定量分析了各种类型的恒星在不同信噪比条件下能达到的视向速度测量精度。同时,还就白矮星的视向速度测量精度进行了分析。结果显示,对于相同信噪比的早型恒星的视向速度测量精度远没有晚型恒星的测量精度高,尤其是A型星的视向速度测量标准误差是K型星和M型星的5~8倍。分析其原因,主要是由于不同类型恒星的具有不同宽度的谱线所导致的。因此对于具有更宽谱线的白矮星光谱的视向速度测量误差更大,可达50 km·s-1。以上结论将为恒星科学研究提供很好的参考。     

MATLAB App Designer在法布里-珀罗干涉实验中的应用

基于法布里-珀罗(F-P)多光束干涉原理,利用MATLAB设计了基于F-P干涉实验的可视化App仿真界面,不仅可复现F-P腔长、入射波长、透镜焦距等参数对F-P干涉图样的影响及实时动态展示,还可观察周围介质折射率、F-P腔折射率与干涉图样的关系,并能进行多波长分辨率和微小波长差测量实验的演示.这些直观形象的模拟结果展示,将有助于改善多光束干涉理论及实验教学效果.     

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.     

在课堂演示实验中引入光学异常透射现象

本文讨论了如何在大学物理单缝的夫琅禾费衍射课堂演示实验中引入当前光学领域研究前沿的一个重要物理现象-亚波长金属缝异常光学透射现象.基于数值模拟,比较了在夫琅禾费衍射实验条件下,纳米尺寸单缝的异常光学透射和微米尺度单缝衍射的特点,讨论并指出纳米单缝的异常透射特征是纳米尺度光与物质强相互作用的反映,而这种强相互作用在微米尺度单缝的夫琅禾费衍射中是不显著的.最后对用于课堂演示的衍射实验装置的设计进行了讨论.     

Azimuthal distributions of radial momentum and velocity in relativistic heavy ion collisions

Azimuthal distributions of radial (transverse) momentum, mean radial momentum, and mean radial velocity of final-state particles are suggested for relativistic heavy ion collisions. Using the AMPT transport model with string melting, the distributions of Au+Au collisions at 200 GeV are presented and studied. It is demonstrated that the distribution of total radial momentum is more sensitive to the anisotropic expansion, as the anisotropies of final-state particles and their associated transverse momentums are both counted in the measurement. The mean radial velocity distribution is compared with the radial flow velocity. The thermal motion contributes an isotropic constant to the mean radial velocity.     

基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层温度探测

报道了一种基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层大气温度探测技术。通过扫描F-P标准具,获得大气分子瑞利后向散射的透过率分布。对该透过率进行非线性拟合,由拟合得到的谱宽计算大气温度分布。为了减小频率不稳定引起的系统误差,采用静态的F-P标准具实时监测激光出射频率,并在数据处理中进行补偿。由时间分辨率2000s的激光雷达原始信号的信噪比,根据最大似然估计误差分析,该方法在30km以下的探测误差小于1.9K,50km以下的探测误差小于9.8K。在对比实验中,在18~36km高光谱分辨激光雷达与探空气球探测的温度廓线最大偏差4.7K;在27~34km,高光谱分辨激光雷达与瑞利积分激光雷达探测的温度最大偏差2.7K。在15~27km,由于气溶胶的污染,瑞利积分激光雷达的温度明显偏离其他两种探测结果,最大偏差达22.8K。     

弹性波速径向变化在非常规储层可压性评价中的应用

非常规储层的开发均需要进行压裂,所以对非常规储层可压性的评价就变得很重要。岩石的脆性是影响储层可压性的重要因素,是优选压裂层位的重要指标。该文在单极子波形正演模拟及波速径向变化计算的基础上,针对非常规储层,应用弹性波速径向变化来评价储层脆性,并分析这种方法在非常规储层可压性评价中的应用效果。通过实例分析可看出,对于相邻两套致密砂岩储层,脆性好的井段压裂后产能也较高,证实了此方法对可压性的分析结果;对于煤储层,煤层段弹性波速降低明显,反映煤层可压性较好,这与煤层段的压裂效果也是相符的。所以,对于非常规储层,基于弹性波速径向变化评价脆性的方法能够很好地反映非常规储层可压性的强弱。     

Effects of radial velocity on line profiles and images from the standard thin disk

This paper has derived the general formulae of observed line profiles based on the effects of radial velocity on the standard thin disk fluid around a rotating black hole. Through the ray-tracing method the line profiles of different parameters have been calculated. Comparison of the line profiles with and without a radial velocity shows that the effects of radial velocity on line profiles cannot be neglected in most cases. In both cases the accretive disk imaging shape remains unchanged.     

光纤光栅F-P干涉仪在轴向应变作用下的参量变化

对光纤光栅F P干涉仪在轴向应变作用下的透射率、峰值波长、光谱半宽度、工作模式等参量的变化进行了分析。发现光纤光栅F P干涉仪的透射率和光谱半宽度对轴向应变十分敏感,而F P腔的中心波长和工作模式却变化较小。当腔长与栅长之比小于0 3时,应力变化对工作模式的影响较小。     

方位和径向速度联合的浅海目标运动分析方法

提出了一种利用目标方位和径向速度联合的浅海目标运动分析方法。该方法克服了传统纯方位目标运动分析方法要求观测站机动的局限性。将浅海传播条件下径向速度的宽带和窄带估计结果与目标方位相结合,利用卡尔曼滤波原理得到了一种目标跟踪定位方法。仿真结果表明,在观测站非机动和低信噪比情况下,该方法利用单个观测站即能够对宽带或窄带的运动目标进行准确地跟踪定位。利用1996年5月的实验数据对算法性能进行了验证,估计结果与真实目标距离符合较好,距离跟踪误差在10%以内。     

一种新的高功率微波折叠式谐振腔径向速调管振荡器

提出一种高功率微波折叠式谐振腔径向速调管振荡器,用电子与电磁场相互作用的一维单电子模型分析了这种折叠式谐振腔径向速调管振荡器的特点。其特点为：径向尺寸小,起振电流低。用二维半PIC程序对折叠式谐振腔径向速调管振荡器进行数值模拟研究。结果表明,当二极管电压为380kV,电流为18kA时,输出微波功率峰值为1GW,主要微波频率为1.52GHz,输出微波为多频率成分微波。通过折叠式谐振腔的电子束得到很强的调制。     

径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5 Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。