一种出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜及其设计方法

本发明涉及空间引力波探测望远镜，尤其涉及一种出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜及其设计方法。

背景技术：

1、由于地面探测的引力波信号不仅容易受到地震波噪声的影响，同时存在着探测频段有限的问题，因此发展空间引力波探测技术显得尤为重要。

2、空间引力波探测望远镜作为空间引力波探测技术的关键部件，它不仅需要将本地基站发出的瓦量级的激光能量输送至百万公里外的卫星基站，同时需要接收来自百万公里外卫星基站发送的皮瓦量级的微弱激光信号，使两个基站之间形成稳定的双向激光探测链路，因此，空间引力波探测望远镜通常需要超高的信噪比。现有的空间引力波探测望远镜通常采用离轴四反式结构，如图1所示，包括孔径光阑01、主镜02、次镜03、三镜04、四镜05以及出瞳06，其主次镜为非球面反射镜（主镜02为抛物面反射镜，次镜03为双曲面反射镜），三镜04和四镜05均为球面反射镜。然而，现有离轴四反式空间引力波探测望远镜由于出瞳06和入瞳不同轴，导致系统整体的ttl（光程倾斜）耦合噪声变大，大大降低了空间引力波探测望远镜的信噪比。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有离轴四反式空间引力波探测望远镜存在的出瞳和入瞳不同轴，导致系统整体的ttl耦合噪声变大，进而大大降低了空间引力波探测望远镜信噪比的技术问题，而提出一种出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜及其设计方法。

2、本发明的技术构思如下：对现有离轴四反式空间引力波探测望远镜进行优化时，若继续采用离轴四反结构，则优化过程需增加更多的优化变量，若将离轴四反结构中的非球面反射镜以及球面反射镜替换为自由曲面反射镜，不仅增加了系统的加工装调难度，提高自由曲面的粗糙度水平也相当困难。因此，本发明基于上述考虑，提出了一种基于离轴五反式的出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜。

3、为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

4、一种出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜，其特殊之处在于：包括依次位于外部平行激光入射光路上的孔径光阑、主镜、次镜、三镜、四镜、五镜以及出瞳；

5、所述主镜为抛物面反射镜，次镜为双曲面反射镜，三镜、四镜为球面反射镜，五镜为平面反射镜；

6、所述主镜和次镜形成卡塞格林式结构；

7、所述三镜、四镜、五镜以及出瞳均位于主镜远离次镜的一侧；

8、所述四镜的设置角度需满足：经三镜反射的激光入射至四镜后经四镜反射形成平行激光，且形成的平行激光向垂直于孔径光阑中心光轴的方向出射；

9、所述五镜、出瞳位于孔径光阑的中心光轴上；

10、所述主镜、次镜、三镜、四镜以及五镜之间相互不干涉。

11、进一步地，所述孔径光阑、主镜、次镜、三镜、四镜、五镜以及出瞳设置在同一竖直平面内，可以保证系统的小型化。

12、进一步地，所述三镜向上偏转设置，此时，四镜位于三镜的上方。

13、进一步地，所述三镜向下偏转设置，此时，四镜位于三镜的下方。

14、同时，本发明还提供了一种上述出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜的设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

15、步骤1，根据待设计空间引力波望远镜的入瞳直径和几何尺寸，确定主镜与次镜之间的距离，进而搭建主次镜同轴的卡塞格林式结构；设置待设计空间引力波望远镜一次实像面的位置，根据卡塞格林式结构孔径光阑的离轴量，对卡塞格林式结构的可变参量进行优化，确保卡塞格林式结构的像面位于一次实像面处，且卡塞格林式结构的成像效果接近于衍射极限；

16、步骤2，在经次镜反射的激光光路上添加三镜，使三镜位于一次实像面的后方；在经三镜反射的激光光路上添加四镜，使经四镜反射的激光形成平行激光，并以垂直于孔径光阑中心光轴的方向出射；

17、步骤3，根据待设计空间引力波望远镜的入射波长、入瞳直径、视场角、焦距以及压缩倍率，以波像差为评价指标对添加三镜和四镜后的光学系统的可变参量进行优化；

18、步骤4，在经四镜反射的平行激光光路上添加五镜，并设置几何约束，使出瞳位于孔径光阑的中心光轴上；以波像差为评价指标对添加五镜后的光学系统的可变参量进行优化；

19、步骤5，对经步骤4优化的光学系统分别进行波像差分析、ttl耦合噪声分析以及后向杂散光分析；若各项分析结果均满足相应要求，则完成光学系统的可变参量优化，并执行步骤7；若任一项分析结果不满足相应要求，则调整三镜的偏转角度后，对光学系统的可变参量重新进行优化，直至各项分析结果均满足相应要求；

20、步骤6，对光学系统进行公差分析，分配主镜、次镜、三镜、四镜以及五镜的镜面加工公差和装调公差；再使用蒙特卡洛方法进行模拟分析，确保主镜、次镜、三镜、四镜以及五镜的镜面加工公差和装调公差均满足合格率要求，完成出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜的设计。

21、进一步地，步骤5中，所述波像差分析的分析结果需满足：波像差优于λ/80；

22、所述ttl耦合噪声分析的分析结果需满足：ttl耦合噪声小于25 pm/μrad；

23、所述后向杂散光分析的分析结果需满足：后向杂散光能量小于外部平行激光能量的10-10。

24、进一步地，步骤2中，在经次镜反射的激光光路上添加三镜，使三镜位于一次实像面的后方具体为：

25、在经次镜反射的激光光路上添加三镜，使三镜位于一次实像面的后方，且向上偏转设置。

26、进一步地，步骤2中，在经次镜反射的激光光路上添加三镜，使三镜位于一次实像面的后方具体为：

27、在经次镜反射的激光光路上添加三镜，使三镜位于一次实像面的后方，且向下偏转设置。

28、进一步地，步骤1中，所述卡塞格林式结构的可变参量包括主镜的曲率半径、次镜的曲率半径以及次镜的二次曲面系数；

29、步骤3中，所述添加三镜和四镜后的光学系统的可变参量包括主镜的曲率半径、次镜的曲率半径、三镜的曲率半径、四镜的曲率半径以及次镜的二次曲面系数；

30、步骤4中，所述添加五镜后的光学系统的可变参量包括主镜的曲率半径、次镜的曲率半径、三镜的曲率半径、四镜的曲率半径、五镜的曲率半径以及次镜的二次曲面系数。

31、本发明相比于现有技术的有益效果如下：

32、1、本发明采用离轴五反式结构，主镜为抛物面反射镜，次镜为双曲面反射镜，三镜、四镜为球面反射镜，五镜为平面反射镜，将主镜、次镜、三镜、四镜经过合理布局，使经三镜反射的激光入射至四镜后经四镜反射形成平行激光，且形成的平行激光向垂直于孔径光阑中心光轴的方向出射，后经五镜反射后从出瞳出射，就可以实现空间引力波探测望远镜的出瞳与入瞳同轴，大大降低空间引力波探测望远镜的ttl耦合噪声，保证了空间引力波探测望远镜高信噪比；同时由于激光经过三镜和四镜时均具有较大偏转角度，使得本发明的空间引力波探测望远镜具有优异的后向杂散光抑制能力。

33、2、本发明仅通过一个抛物面反射镜、一个双曲面反射镜、两个球面反射镜以及一个平面反射镜的合理布局就实现了出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜，整体光学结构简单，相比于基于自由曲面反射镜的离轴四反结构，本发明各反射镜面形更简单，有效降低了光学元件加工和系统级装调的难度。

34、3、本发明提供的一种出入瞳同轴的空间引力波探测望远镜的设计方法，以主次镜同轴的卡塞格林式结构为基础，以波像差作为评价指标并采取出入瞳同轴的几何约束对光学系统进行优化，优化变量较少，方法简单实用，可实现良好的波像差。