天文光谱高精度波长定标技术研究进展（特邀）.docx

    天文光谱高精度波长定标技术研究进展（特邀）    刘桐君，叶慧琪，唐靓，郝志博，韩建，翟洋，肖东（1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，南京 210042）（2 中国科学院天文光学技术重点实验室（南京天文光学技术研究所），南京 210042）（3 中国科学院大学，北京 100049）0 引言类地系外行星的探测和研究是目前天文界最关注的焦点之一目前基于不同技术原理已开发出微透镜［1，2］，凌日搜索［3，4］，直接成像［5，6］，多普勒视向速度法等一系列方法，其中基于多普勒效应的视向速度法适用范围广泛，是系外行星探索的重要技术［7］1995年使用该技术发现了一颗围绕太阳类型恒星运行的系外行星［8］，即著名的51 Peg b，该发现也在2019年获得诺贝尔物理学奖这开启了质量为地球质量100 倍及以上的巨大行星密集发现的时代［9］（已发现的系外行星可查询http：//exoplanet.eu/catalog/）多普勒视向速度法通过测量恒星光谱的多普勒频率移动计算恒星在观察方向上的速度分量，并通过视向速度的大小与变化周期来确定是否有环绕恒星运行的行星恒星的视向速度大小及变化周期受自身质量和环绕行星的质量、行星运行轨道、观测方向等参数的影响。

20 世纪80年代到90年代，视向速度的测量精度为3 m/s～15 m/s，这种精度的测量只能发现质量远大于地球的系外行星探测类地行星的视向速度测量精度需要进一步提高，以地球围绕太阳运行带来的太阳视向速度作为参考，类地行星的探测预估需要9 cm/s［10］左右的测量精度并保持一年以上而一些其他应用如通过视向速度法直接测量宇宙的膨胀甚至需要更高的1 cm/s的测量精度［11］这也对光谱波长定标技术提出了更高的要求利用已知物质的吸收或发射光谱（如碘元素吸收池和钍-氩灯）进行波长定标的技术被广泛应用于世界各地的天文台［12-14］此类波长定标方法由于受到天然的谱线展宽，谱线位置分布不均，元素灯老化等问题的影响［12］，波长定标的精度的极限大约为1 m/s，无法满足类地行星探测所需的10 cm/s 的定标精度要求［13］激光技术特别是激光频率梳的快速发展为新一代高精度波长定标带来了机遇，2002年，UDEM T 等［15］提出激光频率梳可能用于高精度光谱测量2008年，研究人员通过将基于锁模激光器的激光频率梳和法布里珀罗腔相结合，研制出与天文光谱仪分辨能力相匹配的天文光梳［16-17］并将其应用于天文台的光谱仪上，这种天文光梳有望达到cm/s 级别的定标精度。

在这之后，基于锁模激光器的天文光梳系统得到了快速发展和进一步改进，如通过多个法布里珀罗腔级联进一步提高天文光梳梳齿中心频率准确性［10，18］，通过光子晶体光纤扩展天文光梳的波长覆盖范围［18，19］，通过八边形光纤或者光纤扰动的办法降低多模光纤模式噪声［20-22］，光谱整形技术改善定标谱线信噪比［23］等等这些技术进一步拓宽了天文光梳的工作波段并提高了波长定标精度，正由于此，天文光梳已在全球多个天文台光谱仪上作为波长定标源成功应用目前天文光梳系统最高精度的测试是PROBST R 等［24］在欧洲南方天文台高精度视向速度行星搜索者（The High Accuracy Radial velocity Planet Searcher，HARPS）光谱仪上的测试，在这次测试中，使用了两个独立的具有相同等级精度的天文光梳互相验证，结果显示天文光梳系统在101 min 实现了1 cm/s 的定标精度虽然基于锁模激光器的天文光梳系统是目前实际测量精度最高的波长定标系统，但是该技术还是存在着短板一般来说商用基于锁模激光器的激光频率梳的重复频率（几百MHz）小于光谱仪能够分辨的频率差（几个GHz），系统需要配备几个锁定的法布里珀罗腔进行滤波，这不可避免的导致整个系统复杂，造价高昂。

同一时期，连续光源配合法布里-珀罗标准具产生类光梳的定标光源，通过电光调制直接产生与光谱仪分辨能力相匹配的光梳等技术也在快速发展并被用于实际测量中在最近几年，基于耗散克尔孤子的微腔激光频率梳由于其尺寸小，功耗较低，无需滤波的优点，也开始进行视向速度测量的波长定标验证测试，并取得了不错的结果本文分别介绍使用碘吸收池以及钍-氩灯的波长定标情况以及2008年之后开发的能实现更高波长定标精度的基于锁模激光器的天文光梳、连续光法布里珀罗标准具定标源、电光调制天文光梳、微腔天文光梳的基本原理与典型系统，以及它们目前在全世界各地天文台的实际使用及测试情况，最后总结并展望未来可能的发展方向1 气体吸收池及空心阴极灯定标源使用已知的元素吸收或发射谱线对待测光谱进行波长定标是一种常见的方法对于测量天体的视向速度的应用来说，早在1979年，CAMPBELL B 和WALKER G［25］使用氟化氢的吸收光谱对太阳光谱进行了标定，实现了15 m/s 的视向速度测量精度使用吸收光谱作为波长定标参考时，通常把充满某种物质的气体吸收池插入到光谱仪的光路中，待测的光谱会通过气体吸收池并被其中的物质吸收，此时待测光谱中将包含已知的元素吸收峰。

这种方法使用最为常见的是碘吸收池碘吸收池的材料一般是玻璃，一个Subaru望远镜高色散光谱仪（High Dispersion Spectrograph，HDS）设计的碘吸收池实物图［26］如图1（a）所示图中位于中间的透明玻璃器具即为碘吸收池，碘吸收池会在加入碘单质后进行密封在实际使用时，需要进行温度控制将碘吸收池的温度控制在50℃左右以保证碘以气体的形式存在于池中碘吸收池在20 世纪80年代被广泛用于世界各天文台的波长定标中，如1987年到2011年之间，Lick 天文台的Hamilton 光谱仪［27］使用了碘吸收池进行了视向速度测量，能实现3 m/s 的单次测量精度，并在此期间发现了第一颗处于偏心轨道的行星以及第一个主序星多行星系统从1996年起，在10 m Keck-1 望远镜的高分辨率阶梯光谱仪（High Resolution Echelle Spectrometer，HIRES）［28］上也使用了碘吸收池进行视向速度测量，能实现3 m/s 的单次测量精度，在此期间对上千颗恒星进行了观测除此之外，还有McDonald 天文台Tull 光谱仪［29］，3.9 m 英-澳望远镜伦敦大学学院阶梯光谱仪（University College London Echelle Spectrograph，UCLES）［30］，1.5 米托洛洛山美洲天文台（Cerro Tololo Inter-American Observatory，CTIO）望远镜CHIRON 光谱仪［31］等都使用了碘吸收池进行波长定标。

碘吸收池的波长定标性能受到其谱线分布的限制，主要工作在510 nm～620 nm 之间，除此之外，碘吸收池的温度对标定精度也有着一定影响［32］这些因素都一定程度上限制了使用碘吸收池定标的精度图1 碘吸收池［26］及空心阴极灯［33］实物图Fig.1 Pictures of iodine cell［26］ and hollow cathode lamp［33］而和碘吸收池不同的是，钍-氩灯作为另一种较为常见的定标光源，使用的是发射光谱进行波长定标钍-氩灯是一种空心阴极灯，一个被应用到Calar Alto 天文台的用于搜索M 矮星系内行星的光学近红外阶梯光谱仪（Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs，CARMENES）的空心阴极灯实物图［33］如图1（b）所示，图中数字1 对应的物体就是空心阴极灯及其外壳空心阴极灯的阴极一般由金属或金属氧化物组成，空心阴极灯中还会填充不与阴极金属发生反应的惰性气体在进行工作时会在阴极与阳极之间加上几百伏特的电压，阴极的金属原子在此过程中会溅射离开阴极，并在之后从激发态返回基态并发射出各个波长的光。

钍-氩灯发射谱线锐利并完全覆盖可见光及近红外波段，且在自然界中，钍元素基本只有232Th，没有其它同位素，避免了因为同位素带来的光谱谱线改变［34］，这些特性使得其很适合被应用到波长定标中世界很多天文台都使用了钍-氩灯进行了波长定标，欧洲南方天文台3.6 m 望远镜的HARPS 光谱仪［35］就使用了钍-氩灯进行了波长定标，实现了0.8 m/s 的定标精度并进行了一系列对M 矮星系内行星［36］和FGK 型恒星周围行星的探测［37］Haute Provence 1.93 m 望远镜的用于观测恒星内部和系外行星现象光谱仪（Spectrographe pour l′Observation des Phénomènes des Intérieurs stellaires et des Exoplanètes，SOPHIE）［38］，印度Mount Abu 1.2 m 望远镜的物理研究实验室先进视向速度搜索（Physical Research Laboratory Advance Radial-velocity Abu-sky Search，PARAS）光谱仪［39］等都使用了钍-氩灯作为定标光源。

从定标精度上看，使用钍-氩灯进行波长定标的精度会略高于使用碘吸收池进行波长定标的精度，但是这两种技术由于受到谱线分布不均匀，谱线存在随时间发生改变的因素的影响，都无法支持10 cm/s 的定标精度［12］于此同时钍-氩灯还面临着另一些问题，如生产商由于敏感材料管制使用氧化钍而不是金属钍作为阴极带来的光谱污染［40］为了能够进一步提高波长定标精度以满足探测系外类地行星的要求，研究人员开始开发新的定标光源如天文光梳系统以及连续光法布里珀罗标准具定标源尽管如此，钍-氩灯这类定标源由于其性价比高，使用方便，依旧是现在各天文台光谱仪波长定标模块的重要组成部分2 基于锁模激光器激光频率梳的天文光梳使用基于锁模激光器激光频率梳的天文光梳进行波长定标是目前精度最高的波长定标方法，该系统的复杂程度也是最高的以PROBST R 等［24］在HARPS 光谱仪上测试的激光频率梳1（Laser Frequency Comb 1，LFC1）系统为例介绍该系统的组成和各部分的作用该系统研制于德国马克斯普朗克量子光学研究所并被应用于欧洲南方天文台3.6 m 望远镜的HARPS 光谱仪的校准，是比较完备和典型的锁模激光器天文光梳。

该系统的示意图如图2 所示图2 锁模激光器天文光梳系统示意图［24］Fig.2 Diagram of mode lock laser astro-comb system ［24］激光频率梳由锁模掺镱光纤激光器产生，其重复频率250 MHz，中心波长1 040 nm激光频率梳各个模式的频率可以用公式f=mfr+fo表示，式中的fr代表重复频率，m代表一个较大的整数，fo代表相移频率重复频率和相移频率都被锁定到经过全球定位系统（Global Positioning System，GPS）信号校准的铷原子钟，这使得该激光频率梳在几个小时的时间尺度上具有Δf/f=5.6×10−12的精度，这相当于0.3 cm/s 的视向速度测量精度HARPS 光谱仪［14］的分辨率R为115 000，这相当于在波长515 nm 处的能够分辨的频率间隔为5.2 GHz［23］而为了使激光频率梳能够被光谱仪清晰分辨，一般需要将重复频率提高到光谱仪分辨能力的3～4 倍所以该系统使用了三个级联的精细度为2 600 的法布里珀罗腔将激光频率梳250 MHz 的重复频率提高到18 GHz，这相当于每72 个模式中只保留一个模式。

在法布里珀罗腔中的大部分模式的传输受到限制，但这些模式并不是完全消失，一般单个法布里珀罗腔对于边模。