美国Wasatch Photonics利用磁流变抛光MRF改善天文VPH光栅中的波前误差

使用二铬酸明胶(DCG)制造的体相全息光栅(VPHG)因其高一阶衍射效率、低散射光和高折射率调制，已成为天文光谱仪设计的常备产品，从而实现宽广的光谱带宽和角度调谐。在SPIE天文望远镜+仪器会议上，美国Wasatch Photonics讲述了VPH光栅的一个光学限制——波前误差——以及如何利用定制磁流变抛光MRF来缓解这一限制。此外，展示了MRF通过为未来部署于ESO极大望远镜（ELT）的HARMONI光谱仪制造的探索体相位全息衍射光栅VPH所取得的改进。

美国Wasatch Photonics天文体相位全息光栅与波前误差：

在天文学中，大幅面体相位全息光栅是通过全息成像将折射率变化的周期结构嵌入二铬酸明胶中，密封在两个光学窗片之间制造的。封装VPH光栅高度耐用，能承受低温环境，并具备覆盖多种光谱范围的灵活性。它们提供平滑变化的光谱轮廓，可以通过调整入射角进行调谐，从而设计从低分辨率到高分辨率的多种天文光谱仪，以满足不同的科学目标。

天文光谱仪设计中的一个重要因素是波前误差，波前误差会通过光学元件时扭曲光线，从而影响图像质量。对于 VPH光栅来说，相关的波前误差类型是衍射波前误差（DWE），它特别影响光谱观测中使用的一阶衍射光束。这种误差可能与玻璃基材、明胶层以及光栅的最终加工有关的因素引起。体相位全息光栅中观察到的主要像差包括度数和散光。虽然传统抛光技术可以减少部分像差，却难以达到尖端天文光谱仪对衍射波前误差的极低指标要求。

利用磁流变抛光MRF减少大光栅上的波前误差：

为了进一步降低衍射波前误差DWE，探索了将磁流变抛光MRF作为最后抛光步骤的应用。MRF是一种计算机控制的抛光工艺，利用磁场加固流体精确去除光学表面的材料。该工艺提供了优于传统抛光方法的控制和精度。为测试这一方法，美国Wasatch Photonics与牛津大学及QED Optics合作，在为欧洲南方天文台极大望远镜（ELT）设计的HARMONI光谱仪的大型体相位全息衍射光栅VPH上实现MRF。HARMONI需要极低的光栅来实现其科学目标，包括以高灵敏度和空间分辨率观测各种天文现象。

磁流变抛光MRF被应用于QED Optics为HARMONI设计的探索性光栅，采用定制的亚孔径缝合干涉测量装置，测量光栅在抛光前后的波前误差。结果显示DWE提升了十倍，从239nm RMS降至23nm RMS。这表明MRF可能是实现大幅面VPH光栅极低DWE的极有前景解决方案，使其波前误差与光谱仪中其他光学元件的贡献相符或更低。这一创新方法为需要极低波前误差的光谱仪设计开辟了新可能，从而提升天文观测性能。

推动性能极限的结合：

随着天文仪器需求的不断增长，体相位全息衍射光栅制造商与光谱仪设计师从项目早期阶段的合作，有助于优化设计以满足性能和预算目标。像MRF这样的技术在实现光谱仪最高性能方面发挥关键作用，使其能够解决关于宇宙日益复杂的科学问题。美国Wasatch Photonics将深入了解客户的核心性能参数，定制创新解决方案，助力实现各类天文科学研究目标。