哈工程自主研制国内首对大型积分视场单元FASOT-IFU顺利交付

导读：具有完全自主知识产权的国内首对大型积分视场单元FASOT-IFU，由哈尔滨工程大学先端光子学研究所研制成功，并顺利交付。

2021年4月16日，“FASOT积分视场单元系统设备研制项目”验收评审会在哈尔滨工程大学顺利举办，该项目由哈尔滨工程大学物理与光电工程学院先端光子学研究所（Advanced Photonics Institute，API）孙伟民教授带领的天文光子学团队承担，与会的验收专家组为分别来自中国科学院云南天文台、南京天文光学技术研究所和苏州生物医学工程技术研究所的屈中权、朱永田和齐向东等研究员。会议听取了项目组研制报告，现场审阅了测试大纲和检测报告，并进行了现场检测，经专家质询、资料检查、现场测试，专家组一致认为FASOT积分视场单元系统设备（下称FASOT-IFU）达到标准，通过验收。

图1 “FASOT积分视场单元系统设备研制项目”验收会现场

同月，国家自然科学基金委员会数理学部组织专家于26-27日在上海对资助的天文联合基金重点支持项目进行集中结题审查。专家组审阅了“大型积分视场单元（IFU）关键技术研究”结题报告，听取了项目组的结题汇报，专家组经过讨论，一致认为该项目对大型积分视场单元关键技术的研究取得了创新性的研究成果，解决了高精度装配和精密检测等关键技术难题，还取得了多项自主知识产权，实现了整体自主设计。专家组对该项目综合评价为A（优秀，前15%），同意结题。

本次验收会议的顺利召开和重点项目的优秀结题意味着我国掌握了大型IFU的自主研制技术，使我国的高分辨光谱成像技术和天文3D光谱观测技术迈进了一大步，处于世界领先地位。

图2 FASOT-IFU实物图

什么是积分视场单元（IFU）？

人类自古开始就在用各种方式观测天体，随着人类社会的发展，天文学的研究对象从太阳系深入到宇宙。一般而言，普通望远镜类似于照相机可以对不同天区进行观测和拍照，但仅仅能获取天区内的图像信息。现代天文学中，利用天体光谱中所蕴涵的丰富物理信息，可以更深入的研究天体的性质和宇宙的演化。而积分视场单元（Integral field unit，IFU）就可以满足以上两种需求，IFU可以对二维视场中的展源目标进行空间采样，通过单次曝光同时获得展源的三维信息（空间域x, y和光谱域λ）。

图3 基于积分视场单元的三维光谱技术的三种方法

FASOT-IFU可以解决什么问题？

IFU是天文三维光谱成像技术最为关键的器件，承担着天体像面分割，光学信号传输和光路重整的任务，是实现光谱成像任务承担者。FASOT-IFU具有两个光纤阵列端，12个光纤赝狭缝端和24根350芯光缆（工作光纤数量为336根），共有8064根光纤。阵列端分为A、B两个端口，用于接收来自FASOT偏振系统的不同偏振方向的光，在微透镜阵列处实现像场切分，并将光耦合进光纤。光信号经过光缆传输到12个赝狭缝端，再送入12台光谱仪从而获取光谱。经过后期光谱图像重构实现偏振三维光谱成像。

图4 FASOT-IFU结构示意图

2011年，中国科学院云南天文台屈中权研究员提出了光纤阵列太阳光学望远镜（FASOT），这是一台用于太阳物理研究的偏振观测望远镜，可以对太阳大气中物质和能量的传输、太阳活动等现象进行观测，对太阳的演化、太阳活动对地球的影响、地球生命活动等研究具有重要意义。IFU的引入，利用其大视场和光纤数密度大的特性，可以实现高空间采样率的三维光谱偏振测量，使FASOT成为世界上首台能够对多条形成于太阳大气不同高度的谱线同时进行偏振光谱成像观测的太阳望远镜。

图5 FASOT原理样机

FASOT-IFU攻克了哪些关键技术？

FASOT-IFU共有8064根35μm芯径的光纤，包含一对光纤阵列端，12 个狭缝端，24根光缆，整体设计中需要从可行性、稳定性、一致性、高精度等多方面考虑，比如光纤阵列端的微透镜与光纤耦合的准直性误差、焦比退化均匀性、传输效率一致性、光缆应力释放等都是影响IFU性能的技术难点。为了保证FASOT-IFU的性能和质量，项目组从整体设计、选材和工艺、性能检测等三方面进行攻关。

首先，实现了IFU整体方案的自主设计，并创新性地提出了石英阵列端设计，是目前世界上单体光纤数密度最大的IFU。

其次，打破光纤光缆制造的国际技术封锁，采用自研天文光纤和低应力焦比退化光缆，实现国产化。

最后，提出并研制了国内首套天文光纤传输特性自动化快速测量系统，解决了大规模光纤高效率、高精度的检测技术难题。

FASOT-IFU研制历程

FASOT-IFU是由中国科学院云南天文台屈中权研究员和哈尔滨工程大学孙伟民教授共同提出和推进的国内首对自主设计和研制的大型偏振型积分视场单元。从立项到顺利交付，整个研制过程历时5余年，在此期间经历了121光纤单元的第1代、第2代小型样机和4000光纤单元大型样机的试制，最终于2021年4月完成了8064单元的FASOT-IFU研制和验收。

图6 FASOT-IFU研制历程

FASOT 8064单元光纤IFU对中国天文界的意义？

FASOT-IFU建立了近万根光纤单元的大型光纤IFU的整体设计体系。通过整体分析前端光学系统（如望远镜等）和后端光学系统（如光谱仪等）对光纤IFU的限制条件和各参数之间关联度，确定了大型光纤IFU的部件参数选择方法和整体设计方案。

项目组在国际技术封锁的背景下，自主创新，攻坚克难，成功研制了目前世界上单体光纤数密度最大的一对光纤IFU，实现了国产天文光纤制备、低焦比退化光纤光缆技术研发、微透镜和定位板精准对准、光纤低应力低温度敏感性定位、大型光纤阵列研磨等系列技术突破。

FASOT-IFU 是我国首对自主设计研制的IFU，对于我国天文三维光谱观测和大型高光谱成像技术的发展具有积极推动作用。FASOT-IFU的成功研制，代表了我国天文光学精密仪器的先进水平，体现了我国科技领域的自主创新，使我国的大型光纤IFU研制水平跻身于国际天文技术前列。

先端光子学研究所

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