一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法

本发明涉及引力波探测，具体涉及一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法。

背景技术：

1、由于地面引力波探测受到环境震动噪声干扰、引力梯度噪声、地球曲率半径等限制，人们开始探索在宇宙空间中进行引力波探测的新方法。

2、在使用空间激光干涉测量方法探测引力波时，需要在百万公里的距离上，实现激光信号的发射与接收。当有引力波经过激光干涉测量系统时，激光干涉测量系统两端的测试质量之间的光程会发生变化，由此光程的变化能够换算出引力波的大小。激光干涉测量光学系统的光学部分主要由引力波望远镜和激光干涉平台两部分组成。

3、由于采用的是激光干涉测量的方法探测引力波，所涉及的领域包括引力波探测领域、光通信技术领域以及光学设计领域等。为了使光学系统具有超强的杂散光抑制能力，引力波望远镜需要设计成离轴四反望远镜的结构形式。激光干涉测量光学系统的整体布局图见图5，图5中包括引力波望远镜模块、机械结构模块8和激光干涉平台11。由于后续的激光干涉平台11采用全玻璃光学粘接的技术制作，所以激光干涉平台11的入瞳9只能在激光干涉平台11内部。根据光学系统的光瞳衔接原则，引力波望远镜的出瞳7要与激光干涉平台的入瞳9相衔接。但在实际的激光干涉测量光学系统中，在引力波望远镜和激光干涉平台11之间，还需要设计大量的机械结构以保证整个激光干涉测量光学系统的光程稳定性，引力波望远镜和激光干涉平台11之间需要有足够的空间，这仍然需要引力波望远镜的出瞳距离越长越好。并且较长的出瞳距离有利于减小ttl耦合噪声。目前已经设计出的、用于引力波探测的离轴四反望远镜光学系统，它的出瞳距离第一面反射镜不超过150mm，相关设计内容请参考文献“大倍率离轴无焦四反光学系统设计”[陈胜楠,姜会林,王春艳,等.大倍率离轴无焦四反光学系统设计[j].中国光学,2020,13(1):179-188.]。它的出瞳距离很短，要与激光干涉平台11的入瞳9相衔接，这样就会导致激光干涉平台11的入瞳与探测器的距离变长，会使ttl耦合噪声明显增大。其次，它的出瞳与抛物面反射镜的距离很小，保证光程稳定性的结构空间非常有限，不利于机械结构的设计。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法。

2、本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法，所述空间引力波望远镜为离轴四反望远镜，离轴四反望远镜的前半部分光学系统包括孔径光阑、抛物面反射镜和双曲面反射镜，后半部分光学系统包括第一球面反射镜和第二球面反射镜，平行光束经过孔径光阑后，能够依次经过抛物面反射镜反射、双曲面反射镜反射，在一次像面处成实像，再依次经过第一球面反射镜反射和第二球面反射镜反射后得到平行光束；所述设计方法包括：

4、步骤一、根据激光干涉测量光学系统的设计空间大小，确定孔径光阑到抛物面反射镜的距离、抛物面反射镜到双曲面反射镜的距离、双曲面反射镜到一次像面的距离；

5、步骤二、后半部分光学系统采用施瓦兹希尔德光学结构，以空间引力波望远镜的出瞳作为后半部分光学系统的入瞳，并成像在所述一次像面上，且其像高等于步骤一得到的前半部分光学系统成像在一次像面上的像高；

6、步骤三、将步骤一得到的前半部分光学系统与步骤二得到的后半部分光学系统组合，再以离轴四反望远镜的波像差作为评价指标对各个反射镜的位置进行优化；

7、步骤四、将高斯光束照射到第二球面反射镜上，并依次经第二球面反射镜反射、第一球面反射镜反射、双曲面反射镜反射、抛物面反射镜反射后，经过孔径光阑出射，所述高斯光束的束腰位于空间引力波望远镜的出瞳的位置；对空间引力波望远镜的可变参量进行优化，使得孔径光阑处高斯光束的直径等于孔径光阑的孔径；

8、步骤五、检验空间引力波望远镜作为信号接收装置时能否满足技术指标要求、分析空间引力波望远镜是否满足ttl耦合噪声的要求、分析空间引力波望远镜制作的良品率是否满足良品率要求，若均满足则设计完成，否则返回步骤一。

9、

10、一种空间引力波望远镜，采用一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法设计得到。

11、本发明的有益效果是：

12、本发明一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法设计的空间引力波望远镜具有出瞳距离长，空间引力波望远镜出瞳距抛物面反射镜的距离远等特点，能够给激光干涉测量光学系统带来如下优势：

13、机械结构设计空间足够大，能够保证光程稳定性设计的需求；有利于减小ttl耦合噪声的影响，有利于提高测量精度；空间引力波望远镜的出瞳能够到达激光干涉平台的光电探测器上，省去了激光干涉平台中的ttl耦合噪声抑制成像系统，简化了激光干涉平台内部的光学结构，有利于减小激光干涉平台的装调复杂程度，减少装调激光干涉平台的工作量，提高激光干涉平台装调的成功概率，同时，较少的光学元件也有利于提高激光干涉平台的测量稳定性和测量精度，意义重大。

技术特征：

1.一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法，所述空间引力波望远镜为离轴四反望远镜，离轴四反望远镜的前半部分光学系统包括孔径光阑(1)、抛物面反射镜(2)和双曲面反射镜(3)，后半部分光学系统包括第一球面反射镜(5)和第二球面反射镜(6)，平行光束经过孔径光阑(1)后，能够依次经过抛物面反射镜(2)反射、双曲面反射镜(3)反射，在一次像面(4)处成实像，再依次经过第一球面反射镜(5)反射和第二球面反射镜(6)反射后得到平行光束；其特征在于，所述设计方法包括：

2.如权利要求1所述的一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法，其特征在于，所述空间引力波望远镜包括孔径光阑(1)、抛物面反射镜(2)、双曲面反射镜(3)、一次像面(4)、第一球面反射镜(5)及第二球面反射镜(6)。

3.如权利要求1所述的一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法，其特征在于，所述步骤一具体为考虑空间引力波望远镜的入瞳直径大小、视场和设计波长，以及考虑机械结构模块(8)的预留空间尺寸，确定孔径光阑(1)与抛物面反射镜(2)的距离、抛物面反射镜(2)与双曲面反射镜(3)的距离、双曲面反射镜(3)与一次像面(4)的距离、一次像面(4)与第一球面反射镜(5)的距离、第一球面反射镜(5)与第二球面反射镜(6)的距离、第二球面反射镜(6)与望远镜出瞳(7)的距离。

4.如权利要求1所述的一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法，其特征在于，所述步骤二得到后半部分光学系统的弥散斑半径小于等于艾里斑半径。

5.如权利要求1所述的一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法，其特征在于，所述步骤二中第一球面反射镜(5)的球心与第二球面反射镜(6)的球心重合，第二球面反射镜(6)和第一球面反射镜(5)之间的距离等于第二球面反射镜(6)和第一球面反射镜(5)曲率半径之差的绝对值。

6.如权利要求1所述的一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法，其特征在于，所述步骤五包括：

7.一种空间引力波望远镜，其特征在于，采用如权利要求1至6中任意一项所述的一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法设计得到。

技术总结
一种长出瞳距空间引力波望远镜的设计方法涉及引力波探测技术领域，解决了出瞳距离如何增长的问题，方法为：根据激光干涉测量光学系统的设计空间大小，初步确定前半部分光学系统；后半部分光学系统采用施瓦兹希尔德光学结构，以空间引力波望远镜的出瞳作为后半部分光学系统的入瞳，其成像在一次像面的像高等于前半部分光学系统一次像面像高；将前半部分光学系统与后半部分光学系统组合，以波像差作为评价指标对各个反射镜的位置进行优化；将高斯光束的束腰放置在空间引力波望远镜的出瞳位置，使从孔径光阑中出射的高斯光束直径等于孔径光阑的尺寸直径；判断空间引力波望远镜是否符合要求。本发明设计的望远镜具有出瞳距离长的特点。

技术研发人员：崔新旭,王智,方超,冷荣宽
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11