利用射线追踪仿真分析白瞳中阶梯光栅光谱仪

Caty Fairclough 2018年 1月 10日

距离太阳系 11 光年的太空中,一颗名为罗斯 128 b 的系外行星绕着一颗红矮星转动。这颗行星拥有孕育生命的潜力,是迄今为止人类发现的距离地球第二近的宜居行星,它的表面温度可能与地球相似。天文学家利用 HARPS 中阶梯光栅光谱仪测得的数据检测到 Ross 128b。为了进一步推进对类地系外行星的探索,我们可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件提高中阶梯光栅光谱仪的灵敏度。

利用中阶梯光栅光谱仪探索外太空

为了寻找太阳系外的行星,天文学家需要依赖各种各样的工具,其中之一正是中阶梯光栅光谱仪。该装置由镜子、光栅和透镜组成,可将复色光分离成高度色散光谱。中阶梯光栅光谱仪具有很高的分辨率,可以分析很大波长范围的光谱。因此,二维中阶梯光栅光谱格式可实现大范围光谱抓取。可见光仪器甚至可以在一次曝光中覆盖完整的可见光谱。

图片显示二维中阶梯光栅光谱格式的一个示例。
二维中阶梯光栅光谱格式的一个示例。在本文中,主要(或中阶梯光栅)色散从左向右移动,交叉色散从下向上移动。

中阶梯光栅光谱仪可用于精密的多普勒测速、恒星大气的高分辨率分析和高通量拉曼光谱。中阶梯光栅光谱仪 HARPS 通过探测恒星运动的微小摆动——它暴露了轨道行星的存在——帮助天文学家定位新的系外行星——例如类似地球的罗斯 128 b

展望未来,HARPS 的继任者——拥有更高精度的 ESPRESSO 可能会进一步提高人类搜寻新行星的能力。其他团队,例如美国宇航局巨型麦哲伦望远镜(GMT)工作团队亦在研发新一代系外行星探测仪器。

 HARPS 光谱仪图片。
系外行星 Ross 128 b 图片。

HARPS 光谱仪(左)和 Ross 128 b(右)的绘画。图片由 ESO(左)和 ESO/M. Kornmesser 拍摄。已获得 CC BY-SA 2.0,通过 ESO copyright guidelines 分享

为了评估中阶梯光栅光谱仪的设计,并帮助它们不断优化,我们可以使用COMSOL Multiphysics 及其附加的“射线光学模块”对这些设备进行建模。

借助射线追踪仿真研究白瞳中阶梯光栅光谱仪

在这个例子中,中阶梯光栅光谱仪的“白瞳”形式使用 Petzval 透镜进行聚焦。该模型包括两个光栅组件:

  1. 高阶中阶梯光栅
  2. 交叉色散光栅,其中存在正交色散

该设计可以为各种中阶梯光栅指令和波长生成二维点阵。

白瞳中阶梯光栅光谱仪图片及 Petzval 透镜系统特写图。
白瞳中阶梯光栅光谱仪图片以及 Petzval 透镜系统特写图,图片仅显示不同波长的近轴光线。

为了简化复杂模型几何结构的构建过程,我们使用了“零件库”提供的现成零件。我们分别构建光谱仪几何结构,借此进一步简化模型创建过程。为此,我们将(可通过数值或表达式描述的)光谱仪参数分为两类:

  1. 用于创建几何的参数
  2. 用于设置与完成射线追踪仿真的参数

因为模型几何被完全参数化,所以我们可以使用参数 节点调整所有主要的物理属性和几何属性。

图片显示 COMSOL Multiphysics 中阶梯光栅光谱仪模型的完整几何序列。
中阶梯光栅光谱仪模型的完整几何序列。

然后,我们对多个阶次进行参数化扫描,每个阶次包含多个波长。在此例中,我们对 5 个中阶梯光栅阶次运行了光线跟踪,每个阶次包含 11 个波长。您可以根据需求任意设置波长和阶次的数量,对分析进行灵活扩展。

仿真结果

首先,让我们看一下二维和三维光线图,我们跟踪了光线穿过光谱仪时的轨迹。这些图片仅跟踪了入口狭缝处的边缘光线,以验证光谱仪的几何形状和通光孔径参数。

光谱仪模型的二维射线图。
光谱仪模型的三维射线图。

白瞳中阶梯光栅光谱仪模型的二维(左)和三维(右)射线图。

接下来,我们通过中阶梯光栅图绘制了参数化扫描中的每个波长在像平面中的位置。如下图所示,中阶梯光栅色散从左到右移动,交叉色散从下到上移动,这与本文开头的二维中阶梯光栅光谱格式示例所示的方向相同。

光谱仪模型的中阶梯光栅图。
白瞳中阶梯光栅光谱仪的中阶梯光栅图。

后续操作

想试试白瞳中阶梯光栅光谱仪案例吗?单击下方按钮,即可找到模型文档,并下载相关的 MPH 文件。

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