在探索浩瀚宇宙的征途中,天文学家们手中的“量天尺”——天文光谱仪,扮演着至关重要的角色。然而,这把“尺子”的精准度,却长期受限于定标技术的瓶颈。自2008年光频梳概念被引入天文光谱仪定标领域以来,一场技术革命悄然拉开序幕。
天文光谱仪,作为捕捉宇宙微弱信号的关键工具,其定标精度直接关系到我们对宇宙本质的认知。传统定标光源,如碘吸收池或钍氩灯,因谱线稀疏、强度不均且易受时间影响,已难以满足现代天文学的高精度需求。而光频梳,以其等间距、超稳定的频率特性,成为了理想的定标新选择。
然而,将光频梳应用于天文光谱仪定标,并非易事。天文光谱仪有限的分辨率,要求光频梳的齿距必须适中,既不能太密导致无法分辨,也不能太疏失去定标意义。这一特殊要求,给光频梳的制造带来了巨大挑战。
目前,尽管已有电光梳和微腔光梳等技术方案,但它们在实现大梳齿间隔与宽带可见光谱的兼容上,仍存在诸多难题。电光梳受限于波长范围,难以覆盖关键的可见光波段;而微腔光梳则面临波长范围窄、锁频锁相困难等问题。因此,如何制造出既满足大梳齿间隔要求,又具有宽带可见光谱的光频梳,成为了亟待解决的关键技术。
为了解决这一难题,科学家们巧妙地将法布里-珀罗谐振腔(FP腔)引入了光频梳定标系统。FP腔作为一种特殊的光学滤波器,只允许特定间隔的光频率透过,从而“筛选”出符合天文要求的大间距光梳。这一方案不仅绕开了直接制造大梳齿间隔光梳的技术难题,还实现了对天文光谱仪的高精度定标。
然而,FP腔并非完美的“筛子”。其色散波动、反射率不均以及仪器限制等问题,都会对定标精度产生影响。FP腔制造材料的老化,也会导致透射峰频率的漂移。因此,对FP腔本身的定标,成为了光频梳定标技术的核心。
为了精确测量FP腔的透射峰频率间隔及其均匀性,科学家们采用了傅里叶变换光谱仪法和双光梳法等多种技术手段。这些方法各有优劣,但共同的目标都是为FP腔提供精确的定标基准,从而确保天文光谱仪的定标精度。
在光频梳定标技术的推动下,天文光谱仪的定标精度得到了显著提升。然而,光频梳的价值远不止于此。作为一种高精度、可自我定标的光源,光频梳还为FP腔等滤波装置提供了在线校准的可能,进一步提高了整个定标系统的稳定性和可靠性。
图中展示了FP腔对光频梳的滤波效果,以及天文光谱仪上理想的定标梳齿。可以看出,经过FP腔筛选后的光频梳,其梳齿间隔更加均匀,定标精度得到了显著提升。
随着光频梳定标技术的不断发展和完善,我们有理由相信,未来的天文光谱仪将拥有更加精准的“尺子”,帮助人类更深入地探索宇宙的奥秘。