金属反射镜的偏振特性及其正交反射消偏研究

背景光的光强是厶，其中目标光是弱偏振光，近似认为是自然光，背景光是部
分偏振光，部分偏振光可以看作是自然光和线偏振光的合成，所以厶＝ｔ＋三口，
１９世纪中叶，随着玻璃工业的发展，大型折射式反射镜得到了广泛的发展。 １８７０年美国人克拉克为美国海军天文台建造了一架当时世界最大最好的折射望 远镜，１８７７年美国天文学家霍尔用它发现了火星的卫星。２０世纪初，随着材料 磨制工艺的进步和镀膜的发展，大型反射式望远镜在天文观测中起到越来越重要 的作用，１９１７年１１月“胡克望远镜＂正式启用了，整个望远镜重９０吨，可以 很方便地操作，并以很高的精度跟踪恒星，能够提供银河系实际大小和太阳系所 处位置信息。１９４８年当时世界上最为完善的“海尔反射望远镜”在美国交付使 用，它拍摄和分辨遥远天体的能力比“胡克望远镜”要优越得多，它能拍摄２３ 星等的暗星，能探测距离我们远达几亿光年的暗弱星系。
地基的天文观测主要来源于地基的大口径天文望远镜，长久以来，天文望远 镜受到地面位置、地球大气和观测时间的限制，天文学家一直梦想把望远镜搬到
金属反射镜的偏振特性及其正交反射消偏研究
天上去。４０年代的探空火箭技术和气球技术，５０年代末人造卫星的上天，使天 文学家的宿愿终于实现。从此天文观测从地基观测跃进到空基观测，天文观测从 可见波段、射电波段扩展到整个电磁波段，天空宇宙在人类面前展示了一幅更加 绚丽多彩的画面。 １．１．２在白昼实现天文观测手段 １）光谱滤波提高白天观测能力
随着天文观测的不断发展，对天体进行实时性观测变的越来越重要，因此实 现对天体的白天跟踪观测具有重要意义。白天观测天体目标的最大困难是天空强 的大气背景光。白天天空背景的亮度一般在０．１～０．６ｃｄ／ｃｍ２，而夜间天空背景亮 度只有１０。７ｃｄ／ｃｍ２【¨。因此为了解决白天对天体的观测必须设法将天空背景的辐 射衰减而不影响或较少的影响天体的辐射量，从而提高目标的对比度。解决天空 背景光的影响，传统上有三种途径１２】：增大仪器对目标能量的接收能力：采用滤 波技术：空间滤波，光谱滤波和电子滤波；提高探测器的性能，如光谱响应，灵 敏度等。光谱滤波是降低大气散射背景光最直接有效的方法，光谱滤波是采用滤 波片，使光学系统透过给定波段的辐射。利用滤波片消除不需要的辐射光谱成分， 由此提高探测器对所需目标与背景辐射通量之比。光谱滤波必须选择合适的波 段，如果采用中性滤光片滤光，可能使天空星体和背景光同时减弱，这样虽然背 景光减弱而星体的能量也将减少，这样本来就微弱的星体观测可能将变得更困 难。图１．１给出了晴天时天空背景光与Ｍ、Ｋ、Ｇ不同光谱恒星的有效光子分布曲 线【３】：
ｍｉｒｒｏｒ，ｓｉｌｖｅｒ ｍｉｎｏｒ ａｎｄ ｃｒｏｓｓｅｄ ｔｗｉｎ ｍｉｒｒｏｒｓ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ＳＯｕｒＣｅＳ ｏｆ
ｔｈｅ ｉｎａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎａｃｃｕｒａｃｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．
首先，论文从理论上分析介质反射面与金属反射面的反射偏振特性，并模 拟了镀铝反射镜对线偏振入射光偏振态的影响，提出正交反射镜消偏的解决方 案。其次，通过理论分析及模拟结果，确定了测量方法和实验方案，设计并搭 建了一套测量系统。利用此系统测量了线偏振光４５。入射镀铝、镀银反射镜及 多角度入射镀银反射镜的反射偏振特性，并验证了正交镀银反射镜组的消偏作 用。最后，定性分析了测量系统的误差来源及减小误差的方法。
ｍｉｒｒｏｒ，ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍｉｒｒｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ
ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｌｉｇｈｔ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｒｏｓｓｅｄ ｔｗｉｎ ｍｉｒｒｏｒｓ ｔｏ ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｒｅ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ
ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍｉｒｒｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓｅｄ ｔｗｉｎ
ｍｉｒｒｏｒｓ．
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｗｅ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｍｅｔａｌ
ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｉｎ ｄａｙｔｉｍｅ．Ｉｎ ａｌｌｕｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ
ｍｅｔａｌ ｍｉｒｒｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｆｏｃｕｓ ｏｎ
图11给出了晴天时天空背景光与mkg不同光谱恒星的有效光子分布曲hki出一图11不同光谱型恒星及大气背景光有效光子分布曲线第一章绪论从图11中可以看出晴空下天空背景光以短波段辐射为主峰值大约在0450551tm波段而许多星体的辐射在长波波段峰值在089m左右大气散射的结果使的天体的目标背景对比度随着波长的增大而增强
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｒａｄｉａｔｉｏｎ，ｗｅ ｃａｎ
ｒｅｓｔｒａｉｎ ｓｋｙ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｓｋｙ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，
－－Ｈｋ＿Ｉ出一 图１．１不同光谱型恒星及大气背景光有效光子分布曲线
２
第一章绪论
从图１．１中可以看出，晴空下天空背景光以短波段辐射为主，峰值大约在 ０．４５，－０．５５１．ｔｍ波段，而许多星体的辐射在长波波段，峰值在０．８９ｍ左右，大气散 射的结果使的天体的目标背景对比度随着波长的增大而增强。根据天空背景的光 谱特性和星体的光谱特性的差别，利用光谱滤波法将天空背景的短波辐射衰减可 提高目标信噪比。同时考虑到ＣＣＤ探测器的光谱响应特性，一般选择０．６１ａｍ截止 滤波，利用这种方法对波长在０．６肿以上的目标可提高对比度大约６’１４倍１４］。 ２）大气背景偏振抑制提高白天观测能力
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ：Ｍｅｔａｌ ｍｉｒｒｏｒ ａｒｏｕｓｅ ｅｌｌｉｐｓｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ
ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍｉｒｒｏｒ ａｎｄ
从偏振的角度来看，偏振技术可以区分目标和背景，特别在目标和背景的辐 射强度相差不大的情况下，我们可以根据其偏振特性的差异，通过偏振正交消光 法，抑制背景光的强度提高目标的信噪比。天体和大气散射背景光存在偏振差异， 大气散射光具有很强的偏振特性，它是部分偏振光并且线偏振光占相当大的比 例，而天体表现为低偏振形式，因此我们应用马吕斯定律消除大气散射的线偏振 光部分达到抑制背景噪音，提高目标背景对比度，增强观测效果。其方法是获取 观测方向上的大气偏振特性，快速给出大气散射偏振方向和最佳偏振观测方向， 步进电机快速带动消光偏振片转动到指定位置，最大限度地消除大气散射光的影 响，提高观测的信噪比。假设目标与背景光强为Ｌ＝厶＋厶，目标的光强是厶，
２０世纪初期人类只能在可见光波段观测天体，还不能完全捕捉到天体释放的 电磁波谱，第一个发现来自宇宙无线电波的是美国工程师央斯基，第二次世界大 战结束后，一批研究雷达的科技人员把雷达技术应用到了宇宙射电研究中，射电 望远镜从此诞生，从此人类认识宇宙的窗口从可见光波段转到了无线电波领域。 １９６３年安装在波多黎各的阿雷西博射电天文台的著名抛物面射电望远镜，是美 国国立天文台和电离层研究中心的主要设施。它可作雷达使用，还可以用来绘制 金星、水星、火星和木星、土星的卫星雷达图。
ｃｈａｎｇｅｓ，ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｅｍｅｒｇｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ａｒｅ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ，
ｗｈｉｃｈ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．
实验结果表明：金属反射镜引起了椭圆偏振，光束偏振态的改变与金属反射 镜的复折射率和入射角度密切相关。在４５。入射角时，镀铝、镀银反射镜引起 的最大圆偏振度分别为１３．０３％，１５．５４％，反射光偏振方位角与入射光偏振方位 角发生旋转变化，偏振态改变影响了偏振抑制效果。正交反射镜起到了消偏作 用，出射光的偏振方位角与入射光的偏振方位角保持正交关系，正交反射消偏 保证了大气背景偏振抑制技术的应用。
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第一章绪论
第 弟一一早章珀绪了论匕
１．１课题的背景及意义
１．１．１天文观测发展
天文观测长久以来就引起人们广泛关注，起初５—６个世纪的观测全凭肉眼， 古代仪器充其量只能比较准确地测定肉眼所及的天体位置，却不能发现更多的星 象。１６０９年伽利略发明了第一架天文望远镜，由凸透镜的物镜和凹透镜的目镜 组成，发现了月亮的环形山、木星的四颗卫星……，看到了一个全新的世界。此 后望远镜技术不断发展，折射式、反射式天文远镜相继被发明，为了观测到更远、 更小的天体，天文望远镜的口径越来越大。
ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ
ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
１ ５．５４％ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍａｘｉｍａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｌｉｇｈｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｉｃ ｒｅｓｔｒａｉｎｔ．Ｔｈｅ ｃｒｏｓｓｅｄ ｔｗｉｎ ｍｉｒｒｏｒｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ
关键词：偏振特性金属反射镜正交反射镜
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ ａｎｄ Ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｒｏｓｓｅｄ Ｔｗｉｎ Ｍｉｒｒｏｒｓ
Ｑｉｕ Ｃｈｅｎｇｆｅｎｇ（Ｏｐｔｉｃｓ）
Ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｂｙ Ｈｏｎｇ Ｊｉｎ ａｎｄ Ｓｕｎ Ｘｉａｏｂｉｎｇ
ａｌｕｍｉｎｕｍ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ．Ａ ｌｉｇｈｔ ｉｓ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｏｎ ａ
ｏｒ ｓｉｌｖｅｒ ｍｉｒｒｏｒ，ｔｉｌｔｅｄ ４５
ａｌｕｍｉｎｕｍ ｄｅｇｒｅｅｓ ａｂｏｕｔ ｉｔｓ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｘｉｓ，ｔｈｅ
ｍｉｒｒｏｒ ｏｒ ｓｉｌｖｅｒ ｍｉｒｒｏｒ ａｒｏｓｅ １３．０３％ｏｒ
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｍｅｔａｌ ｍｉｒｒｏｒ ｃｒｏｓｓｅｄ ｔｗｉｎ ｍｉｒｒｏｒｓ
ＩＩ
郑重声明和承诺
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产 权归属于培养单位。
中国科学院合肥物质科学研究院 硕士学位论文
金属反射镜的偏振特性及其正交反射消偏研究 姓名：邱成锋
申请学位级别：硕士 专业：光学
指导教师：洪津;孙晓兵 20070101
摘要
摘要
在白天天文观测时，可利用大气散射的偏振特性来抑制天空背景光，从而 增加目标与天空背景的对比度，并提高白昼晴空条件下的天文观测能力。天文 望远镜采用金属反射镜折转光路设计时，会对大气背景偏振抑制效果有较大的 削弱。本文针对此应用需求开展了金属反射镜反射偏振特性及正交反射镜消偏 作用的研究。