空间科学与试验专栏|仪器偏振对空间干涉仪高对比度成像的影响

1.研究背景

自首次探测到围绕类太阳恒星运转的地外行星至今，人类已经利用地面观测设备和太空飞行任务发现了上千颗太阳系外行星。这归功于像开普勒（Kepler）和凌日地外行星巡天卫星（transitting exoplanet survey satellite，TESS）这样专门的地外行星探测太空任务，以及长期的视向速度巡天。我们已经知道在宇宙中普遍存在和地球相似的行星。

为详细刻画宜居带类地行星的大气组成，直接测量宜居带类地行星在红外波段上的热光谱是判断是否含有孕育碳基生命所必须的物质组成（如水、二氧化碳等）最直接的手段。然而，无论是当前已经投入观测的詹姆斯韦伯空间望远镜（James Webb space telescope，JWST），还是如宜居带地外行星天文台（habitable exoplanet observatory，HabEx），大型紫外、可见光、红外巡天（large UV/optical/IR surveyor，LUVOIR）这样的下一代太空飞行任务，它们都无法在该波段对行星进行直接探测与大气刻画。

目前，基于卫星编队的长基线空间消零干涉测量（nulling interferometry）是唯一能够在中红外波段将临近宜居带行星信号（10pc以内）与主星背景分离的观测手段。从20世纪末到本世纪初的头10年，美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）都开展了面向系外行星科学的空间消零干涉概念研究，但最终都因当时技术的不成熟和科学的不完善而未能实施。当前，随着地外行星科学的不断发展和关键技术的重要突破，基于光学干涉高对比度成像技术的宜居带系外行星探测与刻画任务被重新评估。

仪器偏振是一种光学系统改变入射光偏振状态的物理特性。在反射望远镜中，金属膜倾斜反射导致的部分消光和相位延迟是望远镜仪器偏振的主要成因。为实现基线运动和相位控制，空间干涉仪中会包含有大量的折轴光路，仪器偏振效应很强。当干涉支路间的偏振特性不一致时，系统的成像特性与仪器偏振特性相关，仪器偏振效应将导致干涉条纹对比度的下降，进而影响干涉仪的成像质量，这就是所谓的“偏振像差”（polarization aberrations）。类地行星探测要求干涉仪的各支路间必须具有极高的偏振一致性，以保证实现高于10⁶的对比度。

本文将讨论仪器偏振对空间干涉仪成像特性和消零干涉条纹对比度的影响。偏振光线跟踪（polarization ray tracing，PRT）和矢量傅里叶变换方法将用于干涉仪的偏振建模。

2.文章梗概

为实现基线运动和相位控制，空间干涉仪中会包含有大量的折轴光路，它们往往具有很强仪器偏振效应。当各干涉支路的仪器偏振不一致时，系统中出现偏振像差，它会劣化干涉仪的成像质量和干涉条纹对比度，因此对干涉仪的光学设计进行偏振分析与优化非常必要。为此，发展了考虑仪器偏振效应的综合孔径系统干涉成像模型，开发了基于偏振光线跟踪技术和矢量傅里叶变换方法的偏振条纹模拟方法。以一个三孔径菲索干涉仪为例，讨论了折轴光路几何结构和镀膜对干涉仪成像特性和消零干涉对比度的影响。结果表明，例子干涉仪的仪器偏振主要来自折轴光路中的延迟线，它由4个共入射面的45°镜构成。在可见光波段，干涉条纹的轮廓和对比度对折轴光路的几何设计非常敏感。将各干涉臂延迟线的反射面设计为相互平行能够降低偏振像差，使合成光束的成像特性基本达到衍射极限的成像质量。但在可见光波段，该方法难以实现地外行星探测所要求的高对比度。综上，仪器偏振是影响空间干涉仪探测性能的重要因素，空间干涉仪必须采用偏振优化设计以达到期望的高分辨和高对比度观测能力。

3.总结与展望

在本研究中，以一个三孔径菲索干涉仪为例，讨论了在可见光波段，由金属膜反射引起的仪器偏振对空间干涉仪成像质量和高对比观测的影响。由于光学结构的复杂性，在分析干涉仪的仪器偏振问题时，偏振光线跟踪是非常必要的计算模拟工具。从结果来看，干涉仪的成像质量不仅与光学元件的面形加工和系统装调精度有关，还和镀膜材料的光学特性、膜系结构以及光路的几何结构有关。从纯几何光学设计的角度，干涉仪延迟线入射面的方位是一个自由参数，可以由其他设计约束控制。但从偏振光学的角度，它是一个重要的设计参数，对系统的成像特性具有重要的影响。在本研究中发现，延迟线平行布局的系统像质要比圆对称布局的情况好得多。这是因为相对于圆对称，延迟线的平行布局大大降低了各干涉支路间仪器偏振的差异，系统偏振像差小。而在偏振像差小的系统中，正交偏振干涉条纹轮廓更为一致。此时，其叠加条纹具有更高的对比度，即频率衰减少，成像质量更高。但即便如此，在延迟线前方的两个折轴镜仍然会引起一定程度的偏振不一致性，从而导致微弱的像质衰减。在消零干涉模式下，条纹对比度对系统偏振一致性更为敏感。在可见光波段，方案1的消零深度为0.3952，完全无法消零。而方案2的消零深度也仅为0.0368，距离可见光波段10^-10相差甚远。因此，当前的几何光路设计完全无法进行消零干涉测量。当然，在中红外波段，仪器偏振效应会有很大改善，这是因为金属镜面的反射偏振特性会随着波长的增加而降低。由于目前还没有中红外波段常用金属反射膜光学常数的数据，还不能给出中红外消零干涉的理论对比度。但毫无疑问在未来的系外行星直接探测中，偏振光学设计与分析将是系统光学设计的重要内容。

袁沭，中国科学院国家天文台博士，高级工程师，研究方向为光学综合孔径、天文望远镜主动光学与偏振光学。

姜爱民，中国科学院大学博士，研究员，研究方向为光学稳像、光学综合孔径。