Интерференционно-поляризационные фильтры (ИПФ) для наблюдений Солнца и способы достижения их оптимальных характеристик

Важной задачей физики Солнца является исследование тонкой структуры, магнитных полей и полей скоростей на разных уровнях солнечной атмосферы. Для решения этих задач необходимы монохроматические изображения Солнца в свете спектральных линий, образующихся на разных высотах в атмосфере Солнца, что позволяет проследить изменение физических параметров с высотой. Необходимы также серии изображений в разных участках контура одной и той же линии для получения карт магнитных полей и скоростей.

Монохроматические фильтры дают двумерное изображение структуры, что исключает необходимость пространственного сканирования или рассечения изображения. Интерференционно-поляризационные фильтры имеют ряд важных преимуществ по сравнению с другими фильтрами и играют роль не только приборов для изучения морфологии, магнитных полей и динамики явлений, но и роль спектрального прибора, если полуширина их полосы проо пускания порядка 0.1 А. В этом случае можно применять такой информативный метод, как сканируемые по спектру фильтрограммы. Изучаемая область регистрируется почти одновременно в ряде длин волн в пределах выбранной фраунгоферовой линии, так что для любой точки объекта может быть построен профиль линии.

До настоящего времени ИПФ остается одним из самых распространенных типов монохроматических фильтров. Практически все солнечные обсерватории оснащены ИПФ, которые применяются как для текущих синоптических наблюдений, так и для решения конкретных наблюдательных задач.

При выполнении текущих наблюдений достижение экстремальных характеристик не всегда является обязательным, но при разработке специализированных ИПФ для решения конкретных задач физики Солнца необходимо удовлетворять требованиям высокого разрешения, что требует соответствующих характеристик фильтров.

Для достижения высокого разрешения необходимы прежде всего узкая и стабильная полоса и высокий контраст, но при сужении полосы важно иметь такой уровень чувствительности приемников, который бы позволил, с одной стороны, не «утонуть» в фотонных шумах, а с другой — позволял бы получать изображения с короткими экспозициями для уменьшения влияния атмосферного дрожания. В общем случае при разработке и применении монохроматических фильтров важно найти оптимальное для решения конкретной задачи соотношение всех основных параметров фильтра, и, как показано в диссертации, именно ИПФ способны обеспечить такое оптимальное сочетание, достигая при этом экстремальных характеристик по максимальному количеству позиций: высокое пропускание, увеличенное угловое поле и высокий контраст.

Целью работы является разработка схемных и технологических решений, обеспечивающих достижение оптимального набора экстремальных характеристик ИПФ — высокого пропускания, контраста, увеличенного углового поля, — и создание на их основе новых интерференционно-поляризационных фильтров для солнечных наблюдений:

— регулируемого двухполосного ИПФ типа Лио на линии гелия Не1 10 830 о о.

А и водорода На (6563 А) с возможностью одновременной регистрации изображений в видимом и ближнем инфракрасном спектральных диапазонах.

— широкоугольного аподизированного ИПФ типа Шольца и ИПФ-модулятора с температурно-устойчивой и быстро сканируемой полосой пропускания как составных частей фильтрового магнитографа, разработанного с о участием автора для измерения солнечных магнитных полей в линии 6173 А.

Научная новизна и практическая ценность.

— Разработаны новые схемные решения и методики расчета характеристик ИПФ, предложены способы оптимизации схем ИПФ и технологического контроля оптических элементов, позволяющие достигать оптимальных характеристик фильтров.

— Результаты расчетов и предложенные схемные и технологические решения были применены в изготовленном впервые двухполосном регулируо емом ИПФ на линии Не I 10 830 А и На. Фильтр является уникальным прибором и используется в настоящее время для исследования Солнца на Большом коронографе Саянской обсерватории в составе центра коллективного пользования.

— Разработана схема фильтрового магнитографа для измерений магнито ных полей на Солнце в линии Ре I 6173 А.

— Обосновано преимущество использования ИПФ типа Шольца с апо-дизированной схемой. Впервые практически доказана возможность увеличения углового поля ИПФ Шольца с использованием двух типов двупреломля-ющих кристаллов, положительного — парателлурита и отрицательного — оптического кальцитапроведены прецизионные измерения показателей дву-преломления парателлурита, рассчитан и изготовлен аподизированный ИПФ Шольца с увеличенной светосилой и проведены исследования фильтра.

— Впервые предложен и изготовлен и широкоугольный ИПФ — модулятор с температурно-устойчивой и электрооптически сканируемой полосой пропускания.

Результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Методы оптимизации характеристик ИПФ, включая:

— схемные решения для повышения контраста, пропускания, углового поля,.

— методы контроля и юстировки элементов при изготовлении фильтров. о.

2. Разработка двухполосного ИПФ на линию водорода На 6563А в видимом о и линию гелия Не I 10 830 А в ближнем ИК диапазоне: расчет оптической стопы, метод разделения полос, обоснование оптимальности использования фазовых пластинок высокого порядка, схема установки фильтра на телескопе и метод повышения контраста изображения.

3. Разработка широкоугольного аподизированного фильтр Шольца на линию Fe 16 173 А:

— обоснование преимущества аподизированной схемы Шольца при работе в составе фильтрового магнитографа;

— методика расчета увеличения углового поля фильтра Шольца на основе дву-преломляющих кристаллов разных знаков и способы оптимизации параметров фильтра Шольца.

4. Разработка ИПФ — модулятора, способ сканирования и стабилизации полосы пропускания фильтра.

Апробация работы.

Основные результаты, содержащиеся в диссертации, докладывались на Всесоюзной конференции по физике Солнца (Ашхабад, 1990) Семинаре рабочей группы «Солнечные инструменты» (Ленинград, 1990), Всероссийской конференции по физике Солнца (Москва, 1995), Международной конференции «Солнечные струи и полярные щеточки» (Гваделупа, Франция, 1998), Всероссийской астрономической конференции (Санкт-Петербург, 2001), конференции стран СНГ и Прибалтики «Активные процессы на Солнце и звездах» (Санкт-Петербург, 2002), Международном симпозиуме по лазерной метрологии (Новосибирск, 2002), Всероссийской конференции памяти В. Е. Степанова «Магнитные поля и трехмерная структура солнечной атмосферы» (Иркутск, 2003), 223 Симпозиуме MAC «Многоволновые исследования солнечной активности» (Санкт-Петербург, 2004), конференции «Солнце: активное и переменное» (КрАО, Научный, 2007), IX Российско-Китайском совещании по космической погоде (Иркутск, 2009), Всероссийской конференции «Солнечно-земная физика» (Иркутск, 2010), IX Международной конференции «Прикладная оптика-2010» (Санкт-Петербург, 2010), Симпозиуме SPIE «Астрономические телескопынинструменты» (Амстердам, 2012), семинарах отдела физики Солнца ИСЗФ.

Публикации и личный вклад автора.

Научные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 20 статьях, 2 патентах. Автором выполнены расчеты оптических схем новых о.

ИПФ: на линии Не I 10 830 А и На, фильтрового магнитографа на линию Ре I о.

6173 А, исследованы оптико-физические характеристики кристаллов, из которых были изготовлены элементы ИПФ, предложены способы оптимизации характеристик интерференционно-поляризационных фильтров. При непосредственном участии автора разработаны приборы для прецизионного контроля элементов фильтра, изготовлен, настроен и модернизирован двухпоо лосный ИПФ на на линии Не I 10 830 А, На, а также широкоугольный фильтр Шольца и ИПФ-модулятор для фильтрового магнитографа.

Краткое содержание работы.

В первой главе рассматриваются основные характеристики монохроматических фильтров, сравниваются параметры основных типов фильтров, применяемых в астрофизических наблюдениях, обосновываются преимущества применения ИПФ как монохроматоров, сочетающих высокое пространственное, временное и спектральное разрешение и обладающих оптимальным набором стабильных параметров.

Выбор фильтра — это всегда компромисс между приоритетными и менее существенными для конкретной задачи характеристиками. В каждом конкретном случае фильтр выбирается исходя из специфики наблюдательных задач, но при этом необходимо учитывать и ограничения по параметрам, имеющиеся у всех фильтров (ограниченное поле зрения, влияние градиентов температуры на полосу, искажение волнового фронта, нестабильность характеристик и т. д.). Необходимо, на наш взгляд, отметить, что в тех задачах, где требуется сочетание пространственного, спектрального и временного разрешения при большом угловом поле зрения, оптимальным является именно использование ИПФ.

Кратко рассмотрены основные схемы ИПФ: фильтры Лио, Шольца, их преимущества и недостатки, основные этапы развития.

Схема Шольца, несмотря на очевидное преимущество в пропускании, до сих пор не получила широкого практического применения из-за высокого паразитного фона, недостаточного углового поля и необходимости соблюдения жестких допусков на толщину и ориентацию оптических осей пластинок. Но все эти проблемы успешно решаются при использовании «неклассических» аподизированных схем Шольца и прецизионных методов обработки и контроля, что дает, наряду с выигрышем в пропускании, возможность формировать полосу заданной формы.

В диссертационной работе были решены как технологические задачи, так и задачи, связанные с реализацией заданной формы полосы пропускания фильтра Шольца. Это кардинально расширило возможности практического применения схемы Шольца при достижении экстремальных характеристик ИПФ.

Во второй главе рассматриваются способы улучшения характеристик интерференционно-поляризационных фильтров: увеличение пропускания, достижение узкой полосы и высокого контраста, увеличение углового поля.

Пропущенный фильтром увеличивается за счет повышения прозрачности поляризаторов (замена пленочных поляроидов призмами), уменьшения их количества и увеличения углового поля ступеней. Число поляризаторов может быть уменьшено применением расщепленных ступеней Эванса или более радикально — использованием схемы Шольца, содержащей только входной и выходной поляризаторы. Однако для практической реализации преимуществ фильтра Шольца необходимо повысить контраст и увеличить угловое поле фильтра. Эти задачи были решены в диссертационной работе: для оптимального увеличения углового поля пластинки фильтра Шольца были сделаны широкоугольным по 2-му типу Лио из положительного и отрицательного кристаллов, а для повышения контраста была применена аподиза-ция распределения азимутов оптических осей пластинок.

Для высокого контраста необходимо также выдерживать заданные допуски на толщину пластинок и ориентацию их оптических осей (положение оси относительно поверхностей пластинки, азимутальный угол). Во второй главе работы представлены разработанные с участием автора методы и устройства для ориентирования оптической оси кристалла с точностью.

В третьей главе представлены выполненные в ИСЗФ разработки специо ализированного ИПФ на линии Не I 10 830 А, На и двух ИПФ — фильтра Шольца и ИПФ-модулятора — для фильтрового магнитографа на линию Ре I 6173 А.

В ИСЗФ впервые был введен в эксплуатацию двухполосный ИПФ на о две важные в прогностическом отношении линии Не I 10 830 А, На. Была разработана схема с использованием регулируемых широкоугольных расщепленных ступеней, обеспечивающая одновременную работу в двух далеких спектральных диапазонах. Решены задачи, связанные с точной посадкой максимумов спектрального пропускания фильтра одновременно на две линии. В качестве поляризаторов были рассчитаны и изготовлены двулучепре-ломляющие призмы кальцит-стекло с высокой прозрачностью в обеих полосах пропускания, так как не существует дихроических пленочных поляризао торов, одновременно хорошо пропускающих и в Не I 10 830 А, и в На. Разделение пучка на два спектральных канала осуществляется с помощью спек-троделительного кубика с интерференционным покрытием, которое не поляо ризует свет в проходящем 10 830 А пучке и полностью поляризует в отклоо ненном 6563А пучке. В канале Не I последняя ступень является модуляционной, для нее после кубика установлен пленочный дихроический ИК-поляроид. При повороте поляроида на 90° получают изображения в континуо уме на расстоянии ±8.65 А от центра линии в свободных от спектральных линий областях. Изображения в континууме оптически вычитаются из изображений в центре линии для повышения контраста. Фильтр был введен в работу на Большом внезатменном коронографе Саянской обсерватории. После первых наблюдений была выполнена модернизация фильтра, позволившая увеличить однородность поля зрения и поднять контраст. В настоящее время фильтр используется для наблюдений Солнца в Саянской солнечной обсерватории в составе центра коллективного пользования.

В третьей главе рассматривается также схема трехмодульного фильтра «Магнит» для измерения магнитных полей на Солнце, обосновывается выбор схемы Шольца для второго модуля фильтра, анализируются способы увеличения углового поля и совместное действие всех модулей фильтра. Показано, что наиболее эффективным способом увеличения углового поля фильтра Шольца является использование широкоугольных элементов Лио из положительного и отрицательного кристаллов. Для изготовленного в ИСЗФ широкоо угольного фильтра Шольца на линию Fei 6173А смещение полос пропускания при угле падения ±3° не превышает 0.05 от полуширины полосы, что соответствует расчетному и необходимому значению. Стабилизация положения полосы пропускания самого узкополосного модуля фильтра «Магнит» обеспечивается не только термостатированием, но и дополнительной подстройкой положения полосы пропускания относительно лазерной линии 6328A. Предложена также форма полосы пропускания фильтра Шольца с двумя максимумами для компенсации влияния температурного смещения полосы фильтра Шольца на измерения магнитных полей и скоростей.

Заключение

.

Интерференционно-поляризационные фильтры остаются одним из важнейших инструментов наблюдательной солнечной физики, и, несмотря на длительный опыт их применения, к настоящему времени имеется большое поле для их развития.

Создание хорошо работающего интерференционно-поляризационного фильтра — это не только точный расчет, тщательные измерения и скрупулезное выполнение технологических требований, но и «искусство композиции», состоящее в том, чтобы для каждого параметра фильтра почувствовать тот предел, за который не стоит переходить, чтобы не повредить другим характеристикам. В этом смысле ИПФ предоставляют, пожалуй, максимальное число степеней свободы, позволяющее оптимальным образом подобрать параметры фильтра в соответствии с требованиями наблюдательных задач. Одним из самых удачных примеров плодотворного использования ИПФ в солнечных наблюдениях являются результаты, полученные с ИПФ Ball 4554 А на Шведском вакуумном телескопе (SVST) и Голландском открытом телескопе (DOT) [44,45].

Среди важных преимуществ ИПФ следует отметить устойчивость полосы. ИПФ после настройки может работать долго, сохраняя стабильные параметры, в отличие, например, от интерферометра Майкельсона, разность хода в плечах которого имеет временной дрейф. Заметный дрейф, обнаруженный в HMI, разработчики объясняют изменением толщины слоя клея, на котором крепятся зеркала интерферометра [30].

В разработанных в ИСЗФ с участием автора интерференционно-поляризационных фильтрах решены задачи по разработке схемных и технологических решения, дающих высокое пропускание, контраст, увеличенное угловое поле:

• Показано, что оптимальным способом увеличения углового поля фильтров Шольца является схема, в которой каждый элемент делается широкоугольным с помощью положительного и отрицательного кристаллов с близким двупреломлением. Применение пары шпат-парателлурит увеличивает угловое поле в 11 раз по сравнению с неширокоугольным элементом с таким же порядком интерференции.

• Найден способ уменьшения боковых лепестков с помощью оптимизации расположения пластинок в стопе фильтра. Разработаны способы ориентирования оптической оси относительно базисной грани пластинок в с помощью коноскопа по разности измеряемых углов наклона при наведении на далекие узкие изохромы, что позволяет выставить оптическую ось относительно граней пластинки с точностью 1.

• Показано преимущество использования схемы Шольца в ИПФ для измерения магнитных полей и скоростей.

• Разработан способ стабилизации положения максимума канавчатого спектра двупреломляющего элемента с подстройкой положения максимума относительно опорного лазерного источника. о.

В ИПФ на линии Не I 10 830А, На успешно решены проблемы, связанные с одновременной работой в двух далеких спектральных диапазонах. Толщины элементов в ступенях были подобраны с учетом требований максимального контраста и максимально точного одновременного попадания полос пропускания канавчатого спектра на две спектральные линии. При настройке элементов фильтра было учтено несовпадение длин волн линии Не о.

I 10 830А для лабораторного источника и солнечного спектра. В фильтре удалось избежать применения составных ахроматических фазовых пластинок, используя А/2 и А/4 пластинки высокого порядка. Достигнуто высокое пропускание благодаря применению расщепленных ступеней Эванса с уменьшенным числом поляризаторов. В качестве поляризаторов используются двоякопреломляющие призмы кальцит-стекло с высокой прозрачностью в обеих полосах пропускания. Ступени высокого порядка сделаны широкоугольными и регулируемыми. Предусмотрена возможность получения изображений в континууме на расстоянии ±8.65 A от центра линии. о.

В ИПФ «Магнит» на линию Fe I 6173 А также применен обширный «арсенал» способов, направленных на достижение экстремальных характеристик. «Изюминкой» этого состоящего из нескольких блоков фильтра является впервые изготовленный широкоугольный фильтр Шольца с полосой пропускания в виде «вилки». При совместном действии с модулятором полоса сужается до о.

0.07А и выполняется сканирование из синего в красное крыло линии. Увеличенное пропускание и угловое поле, полоса фильтра Шольца с двумя максимумами, возможность быстрого сканирования полосы без механического вращения оптических деталей — эти особенности разработки делают фильтр «Магнит» оптимальным для применения в фильтровых магнитографах.

Важнейшую роль в достижении экстремальных характеристик фильтров играет соблюдение строгих допусков на толщину, ориентацию оптических осей кристаллических пластинок ИПФ, поэтому наряду с разработкой оптимальных схем большое внимание было уделено решению вопросов, касающихся соблюдения допусков и обеспечения стабильности полосы пропускания.

Большой опыт успешного применения ИПФ и решения возникающих при этом проблем показывает, что благодаря «диверсификации» классических схем ИПФ продолжают оставаться монохроматорами, сочетающими большое число одновременных хороших характеристик, а новые материалы, технологии, способы контроля обеспечивают пространство для дальнейшего развития и успешного применения в солнечных наблюдениях (в качестве примера можно привести одну из последних разработок — проект хромосферного магнитометра ChroMag на базе широкоугольного электрооптически регулируемого узкополосного фильтра Лио для обсерватории Mauna Loa [72].

В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность моему научному руководителю В. И. Скоморовскому.

Его подход к решению оптических вопросов, отличающийся глубиной проработки, изобретательностью решений и тщательностью исполнения, служит вдохновляющим примером для его коллег и учеников. Работа под руководством В. И. Скоморовского — это прекрасная возможность не только перенимать его богатейший опыт, но и постоянно осознавать тот факт, что в оптике нет мелочей — чтобы оптический прибор хорошо работал, необходима скрупулезная работа и отдельных людей, и целых коллективов. Думаю, что в этом со мной солидарны не только инженеры и научные сотрудники, но и оптики ИСЗФ, которым я также выражаю благодарность, — ведь их усилиями оптические разработки нашего института получают «путевку в жизнь». Благодарю коллег и друзей за постоянную и всестороннюю поддержку. Отдельное спасибо В. М. Григорьеву, Р. Б. Теплицкой, Н. И. Кобанову, взявшим на себя труд прочесть автореферат, за полезные замечания.