丽江系外行星探测仪器的光程差测量
撰稿人-管守鑫
研究方向-高精度视向速度反演
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#丽江系外行星探测仪器的光程差测量#
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导读
中国科学院丽江天文台的相关团队针对丽江系外行星探测仪器(Lijiang Exoplanet Tracker，LijET)，用钍氩灯(ThAr)和钨灯标定LiJET的DFDI（dispersed fixed delay interferometer，DFDI）光谱，然后计算CCD探测器上不同信道的光程差。为提高视向速度反演精度提供参考。相关成果以The optical delay measurement for Lijiang Exoplanet Tracker为题发表在SPIE旗下的会议“Eleventh Intermational Conference on Information Optics and Photonics (CIOP 2019)”上。
NO.2
研究背景
LijET旨在以极高精度的径向速度(RV)测量来探测系外行星，它于2011年安装在丽江天文台的2.4米望远镜上。LiJET是集多种科学目标于一身，并能提供高精度视向速度测量的天文仪器。LiJET 仪器分为两种工作模式,一种是DFDI模式，也叫RVM（Radial Velocity Mode）模式，该模式由固定延迟干涉仪与中等色散光谱仪结合起来，通过宽波段光谱来测量恒星的多普勒运动，探测太阳系外行星。
当狭缝宽度为1.6英寸时，光谱分辨率为18000。使用4k x 4k CCD，光谱仪的波长覆盖范围为390nm-690nm。仪器的温度稳定度为25±0.001°C，压力稳定度为10.9±0.001 psi。LijET通过测量狭缝方向条纹的相移实现高精度RV测量。RV差值是光速、相移、波长和光程差的函数。
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方法原理
高精度的RV测量需要准确的光程差。已经开发的几种确定光程差值的方法中。观察光谱梳并绘制条纹数与频率的关系图的方法很难精确计算条纹数；在感兴趣的时间基线上观察已知的稳定参考恒星的方法在实际应用中无法真正地找到一颗稳定的恒星，恒星的RV变化不可避免地会影响光程差的计算。
基于LiJET的DFDI模式的差分RV测量是在相应位置的相移、波长和光程差的函数，如下式3所示。
同时，差分RV是多普勒波长偏移的函数，表示为
因此，光程差是相移、波长和光程差的函数。从上述两个等式，可以建立由LiJET的DFDI模式获得的光谱的两个不同通道之间的关系如下
其中Δλ是不同信道之间的波长差(相当于多普勒波长偏移)，Δφ是相应信道的相移。ThAr光谱用于在色散方向进行波长校准，并在狭缝方向进行畸变校正。
对于相邻的信道，相移可以容易地导出为(d2-d1)，然后可以基于下述等式计算相应位置的光程差。
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图文结果
图1. 丽江天文台2.4m望远镜LiJET的DFDI模式光学设计。
图2. 用LiJET的DFDI模式拍摄的恒星光谱，放大的光谱显示出清晰的条纹。
图3. 从整个数据帧修剪的钨光谱的一部分。没有狭缝光照校正的光谱(上)和狭缝光照校正后的光谱(下)。狭缝方向和色散方向如图所示。
图4. CCD探测器上LiJET输出1和输出2的不同级次的波长与光程差的初步关系。
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总结
通过对ThAr光谱和钨光谱的精确校准，给出了CCD上不同通道的光程差，表示为不同级次的波长和光程差之间的关系。同级次的光程差值基本一致，不同级次的光程差值存在明显的系统差异。或许，最终的光程差可以表示为不同级次的线的函数。
文章链接：
https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11209/2548400/The-optical-delay-measurement-for-Lijiang-Exoplanet-Tracker/10.1117/12.2548400.short?SSO=1
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