光纤在天文学中的应用

摘要 本文在充分讨论了天文用光纤的各种特性、发展状况及应用基础上，针对国家天文台ＬＡＭＯＳＴ　（ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｓｋｙ　ａｒｅａ　ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔ　ｆｉｂｅｒｓｐｅｃｔｒｏｓｃ叩ｉｓ　ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）项目的具体应用，对此工程中用到的光纤进行了研究． 在ＬＡＭＯＳＴ项目中，光纤连接了望远镜的焦面和光谱仪．针对此望远镜的应用，对光纤的要求主要集中在对星光的传输性能和焦比蜕化性能上．所以，针对这两个方面设计了实验，对此光纤的透过率和焦比蜕化性能进行了严格的测试．得到了实际工程中具有指导意义的数据，同时考察了外界的影响对光纤的这两个性能的影响程度，主要是考察了压力和光纤的宏育曲的影响．并对各种影响给予了一定的理论分析．最后研究了不同情况的入射光对出封光强度分布的影响，给出了定性分析．

关键词：ＬＡＭＯＳＴ透过率焦比蜕化天文中的光纤．勺．．，，‘时洲一‘ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ　ｗｉｔｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒａｐｐｌｉｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｓｋｙ　ａｒｅａ　ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔ　ｆｉｂｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃｔｅｌｅｓｃｏｐｅ　（ＬＡＭＯＳ乃ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｈｏｌｄ　ｉｎ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ． Ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｎｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ　ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ　ｉｎ　ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍ．　Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ，　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒａｌ－ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｃａｌ－ｒａｔｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ．　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｓｔｒｉｃｔｌｙ．　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎｃｏｎｄｕｃｔ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｂｅｓｉｄｅｓ　ｔｈｅｓｅ，　ｔｈｅ　ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ　ｅｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅｔｗｏ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ａｔｖａｒｉｏｕｓ　ｒａｄｉｉ．　Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｅｘｐｌａｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．　Ａｔ　ｌａｓｔ，　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｌｉｇｈｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｌａｕｎｃｈｅｄ　ａｔ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ａｎｇｌｅｏｆ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｌｉｇｈｔ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ： ＬＡＭＯＳＴ ｆｏｃａｌ－ｒａｔｉｏｓｐｅｃｔｒａｌ－ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ第一章绪论＇　１．１引言光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圈柱形在其界面内它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束

并导引光波沿着光纤轴线的方向前进，光纤的传输特性由其结构和材料决定． 光纤的基本结构是两层圈柱状媒质，内层是纤芯，外层为包层，纤芯的折射率ｎ，比包层的折射率ｎ２稍大．当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播．如图１．１．１，为光纤的典型结构， 图１．１．１光纤结构图

实际的光纤的最外层为保护层，其用途是保护光纤免受环境污染和机械损伤Ｄｌ 光纤得到迅速发展得益于人们对通讯技术发展的迫切要求薄会的日益进步要求通讯系统的容童不断提高，这种容圣用比特率一距离积ＢＬ来表示，以电为基础的通讯系统以及后来出现的徽波通讯，都由于传输信息的介质的材料本身的限制，不能有效地满足日益膨胀的大信息量．２０世纪后丰叶人们开始认识到，知果用光波做载波，ＢＬ积可以增加几个数量级，然而，５０年代还没有合适的光源和传播介质。１９６０年激光器的发明解决了光源的问题，随后人们把注意力都集中到了寻找合适的传输媒质上，６０年代提出了许多方法解决光传输通道问题，其中最值得注意的是用气体透镜序列进行光限制传堵．１９“年英籍华人高棍博士提出光纤可能是最佳选择，因为它能像铜线传导电子那样导光，主要的问题是高损耗。６０年代可能得到的光纤损耗超过了１０００ｄＢｌｋｍ．　１９７０年出现了突破，在ｌ　ｕｍ附近波长区光纤损耗降低到约２０ｄＢ／１ｍ。此后，低损耗的光纤得到了迅速的发展，理论研究发现，石英光纤最低损耗在１．５５ｕｍ附近，实验技术上于１９７９年就达到了０．２ｄＢ／ｋｍ的低损耗叭 光纤的优点有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可挠性好、无感应、无串话、节省资源．正是由于光纤的这些特点，使得它在通讯以外的各个领域也得到广泛的应用，这些应用主要包括非相关传光束、相关传光束、纤维内窥镜、纤维面板、微通道板、微型透镜等．光纤用于传输能量时，直径ｓ微米左右的芯子可传递ｚ瓦左右的功率，也就是说，能传递１０４千瓦／厘米２功率密度的光。光具有高的量子能量，具有电所不具备的用肉眼能直接观测等特点。总的看来，用于能童的传输也是很好的．光纤不是金属的，而是电介质材料的线路．直径ｌｏｏ微米左右的极细线路，仍富有可挠性，与同尺寸的金属线路相比，机械强度大、重量也轻．所以，具有数设方便等许多优点．另外，在其它的波段，采用特殊技术介质材料，有可能研制出更低损耗的光纤．因此，不限于只用在信息传输，也可考虑用于能量传输，光纤的应用领域是琦民广泛的． 另一方面，由于光纤是由玻璃材料制成的，线径很细、应用于微米级波长等原因，所以也具有一些弱点，如：光纤连接器及其它光学部件的制造，都要求精密加工；光统的故障处理比金属电缆的故障处理要复杂等等［Ｊ１ 实际设计的光纤功能各不相同，单模光纤的频带极宽，而渐变折射率光纤的信忠容量大，且处理简便．当需要从光源处收集尽可能多的光时，则使用粗芯径阶跃折射率光纤比较合适．但上述光纤由于物理特性不完善，如材料不均匀、尺寸不精确，它们的特性会受到很大的影响．在使用过程中，光纤会遇到各种不同的环境条件，并承受各种压力，在这样条件下，我们发现光纤的基本强度特性相当出色，甚至在加压迅速损坏的情况下，出现了疲劳，仍然能显示出良好的强度特性． 光纤的主要参数包括：纤芯和包层的粗细及折射率、数值孔径及主要波长处的损耗等，不同的应用对光纤参数要求也不同．在光通讯中，光纤传输的是带信息的光能，所以对光纤的损耗、色散、模式数等有严格的要求。而对于光纤传导光能这样的应用，主要考虑的应是光纤的损耗及其他一些与能量有着密切关系的参数．也就是适于能量传拾的光纤和适于信息传输的光纤大不一样．首先，能童传输光纤希望在最大范围内、尽最大能力来传输更多的能量．所以像多模光纤那样，即使在传输途中由于光纤育曲等造成传输方向改变，及引起模式改变时，光也基本上不会泄漏到外面去，仍能正常传输．而且，只要光能够低损耗的通过，既使由于色散的缘故造成光纤中的不同波长的光传输时间有些差异也没什么问题．但是对于传输信．息的光纤来说，就是波长范围分散的光，也要尽最大可能来传输更多的信息．所以要像单模光纤那样、即使把除了各波长光的基模以外的光全部泄漏到外面去，也比在光纤中产生传输时间差异的情况要好得多．另外，从其它角度来说，两者的不同之处还在于设定用光纤传输光的波长范围的侧重点不一样．严格地讲，信息传输时无论什么波长的光，只要光纤能更多的传偷信息就可以，因为在这里光是承载信息的载体．但也不是说光纤传输光的波长与发光元件或受光元件无关．从光通讯的本质来看可以这样说．而在光纤传输能量时，其所用的光纤要根据实际需要最大限度地传输光能，它传愉的光能即为研究和应用的对象．而且，利用光纤传输能量，具有灵活、方便、可以把光源和接受部分开等优点．

＇　１．２光纤应用于天文中的基本技术的发展状况 上面介绍了光纤的一些情况，天文中的光纤亦属于光纤的一种．近几年由于天文中的一些新技术的出现和迅猛发展，使得光纤在天文中得到广泛的应用，成为继通讯后又一大应用领域． 光纤最初故应用于天文观测中是加世纪７０年代末，从此得到了很成功的应用．下面介绍天文中用到光纤的几种技术，它们研究的是来自天空的光线在光纤中的传播，不考虑光纤在数据传播中的应用． 目前使用光纤的许多天文设备已经被建成，它们应用的科学范围非常广泛，特别是最近的２０年，这个领城的发展速度极快．光纤被大Ｉ用于：多目标光语学、整场光语学、高精度径向速度测童、干涉量度法、光度学．光波波长及盖从３５０ｎｍ－２３００ｎｍ的较大范围［ａ１ 多目标光语学通过多目标光语学技术，光纤对天文观测产生了巨大的影响［５１，自从１９７９年在Ｓｔｅｗａｒｄ天文台首次应用光纤为基；．ａ出的多目标天文望远镜以来，许多天文台已经建造和应用了这种光谱仪．在天文研究中，通常要求大量的光诺样品，利用样品光讲图来回答一个重要的问题，至少要对５０个目标进行观测分析才能得出结论［［６１．因为观测