望远镜终端仪器  0704Z1M04003H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:朱永田,侯永辉
授课时间: 星期二,第5、6、7 节
授课地点: 教一楼424
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12、13、14、15、16
授课时间: 星期四,第1、2、3 节
授课地点: 教一楼424
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 0704Z1M04003H 课时: 54 学分: 3.00
课程属性: 专业核心课 主讲教师:朱永田,侯永辉 助教:刘成超
英文名称: Astronomical Telescope Instrument 召集人:

教学目的、要求

基于观测科学目标需求,望远镜配置了不同性能的科学仪器,通过本课程的教学,可使得学生对天文望远镜终端仪器有一个比较系统的了解,重点掌握光谱仪的基本原理、设计方法,为将来使用望远镜终端仪器开展科学观测,设计和实现望远镜终端仪器提供理论基础。

预修课程

普通物理、普通天文学、天文技术与方法、天文光学系统

教 材

(1) Spectroscopic Instrumentation. Thomas Eversberg、Klaus Vollmann编著. Springer 2015.
(2)Spectrograph Design Fundamentals. John James编著. Cambridge University Press, 2007. 
(3)Principles of Optics. Max Born and Emil Wolf编著. Cambridge University Press, 1999.

主要内容

第一章:绪论 
	教学重点:介绍《望远镜终端仪器》课程安排。
第二章:光的电磁场理论 (共6学时)
教学重点:光的电磁波表达方法、光在电介质分界面上的反射和折射、菲涅尔公式、全反射;光波的叠加原理,以及不同情况下波的叠加以后产生的现象;光波的傅立叶分析。
第三章:光的干涉及干涉系统 (共9学时)
教学重点:光波的干涉条件;杨氏干涉实验(分波前干涉的一个典型实验);干涉条纹的可见度,通过对干涉条纹可见度的介绍,引出在光的干涉领域里面所常用的几个概念,空间相干性和时间相干性的概念;平行平板所产生的双光束的干涉,平行平板所产生的双光束的干涉属于分振幅干涉,典型的双光束干涉系统及其应用及典型的仪器,平行平板的多光束干涉及其应用。
第四章 光的衍射(共9学时)
	教学重点:光波的标量衍射理论、典型孔径的夫琅禾费衍射、夫琅禾费衍射与傅立叶变换之间的关系、光学成像系统、衍射与分辨本领问题、多缝的夫琅禾费衍射以及多缝夫琅禾费衍射的应用,衍射光栅、菲涅尔衍射。
第五章 天文光谱仪(共12学时)
	教学重点:天文光谱发展概述、色散元件(光栅的分光原理,基本特性、典型光栅及制作)、光谱仪的设计原理、多目标低分辨率光纤光谱仪和高分辨率光谱仪设计实例,国际上典型的大口径望远镜(8~10米级) 终端仪器性能。
第六章 积分视场单元技术 (1.5学时)
教学重点:积分视场单元技术的概述、科学应用,积分视场单元技术分类和工作原理,积分视场光谱仪的系统组成、仪器分类,积分视场光谱仪的应用前景和技术发展。
第七章 系外行星探测技术 (1.5学时)
教学重点:系外行星研究的发展概述及探测技术方法,包括视向速度法、凌星法、微引力透镜、天体测量、直接成像,重点介绍直接成像的关键技术及星。
第八章 光线光学 (3学时)
教学重点:光纤在天文观测上的应用概述、光纤的分类、光纤的制备工艺、光纤光学的基本方程、光纤的传输特性、光纤耦合技术。
第九章 天文光干涉高分辨观测技术 (3学时)
教学重点:天文光干涉观测技术的起源、发展以及光干涉技术用于天体高分辨测量的思路和方法,光干涉技术在国内外的发展状况、光干涉技术的发展趋势,光干涉仪基础理论及系统构成,天文光干涉主要观测装置、科学应用示例。	

第10章 《望远镜终端仪器》实习 (6学时)
教学重点:兴隆LAMOST望远镜现场实习,现场结合LAMOST低、中、高分辨率光谱仪,熟悉和巩固在给定光谱仪的技术参数情况下,如何开展光谱分辨能力分析,缝前结构设计、主光栅的选取、级次间隔及横向色散元件分析、波长覆盖范围、准直镜和照相机系统设计方法。光谱仪系统完整装调方法。	
期末考试(3学时)

参考文献

第一章:天文望远镜终端仪器概述 (3学时)
教学重点:重点介绍天文望远镜终端仪器(发展历史,仪器分类,国际上主流望远镜终端仪器)。

第二章:望远镜终端仪器基础知识 (共12学时)
2.1 几何光学及光学成像的几何理论(6学时)
教学重点:折射定律、反射定律、理想成像、高斯光学、辐射度量学和孔径、光纤追迹、非球面设计。
2.2 衍射理论基础 (3学时)
教学重点:惠更斯-菲涅耳原理、基尔霍夫衍射理论、夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射、光栅方程。
2.3 光学系统像差及成像性能估算(3学时)
教学重点:单色像差、色差、球差、慧差、像散、场曲、畸变及成像性能估算方法。

第三章:光谱仪基本原理 (共12学时)
3.1 光谱仪基本参数(1学时)
3.2 棱镜光谱仪(2学时)
3.3 光栅光谱仪(3学时)
3.4 准直系统和照相机系统 (3学时)
3.5 光纤 (1学时)
3.5 光谱仪布局要点 (2学时)
教学重点:理解光谱仪光谱分辨能力公式,光谱仪的基本参数(狭缝、光谱分辨率、角色散、线色散、倒线色散等),棱镜的几何光学知识、光栅方程及其光栅分类。光谱仪关键组成部分:狭缝、准直系统、色散系统、成像系统,结构设计等。

第四章 积分视场单元技术 (3学时)
教学重点:积分视场单元技术的发展历史,积分视场单元的分类,积分视场单元技术工作原理和设计方法;

第五章:天文光谱观测设备(12学时)
5.1 高分辨率阶梯光栅光谱仪
5.2 长缝光谱仪
5.3 宽视场光谱仪
5.4 多目标光纤光谱仪
5.5 积分视场光谱仪
教学重点:重点介绍光谱观测中主流观测设备: 高分辨率阶梯光栅光谱仪、长缝光谱仪、宽视场光谱仪、多目标光纤光谱仪、积分视场光谱仪的仪器性能及工作原理。

第六章 光谱仪设计实例及装调 (6学时)
教学重点:给定光谱仪的技术参数,详细分析光谱分辨能力,缝前结构设计、主光栅的选取、级次间隔及横向色散元件分析、波长覆盖范围、准直镜和照相机系统设计方法。光谱仪系统完整装调方法。

第七章 偏振测量 (1学时)
教学重点:介绍天体辐射偏振的产生机制及天文观测中常用的偏振器件及测量原理。
第八章 成像观测设备 (2学时)
教学重点:要知道面源的视表面上各项物理参数的分布,必须作成像观测。重点介绍成像观测的质量指标及影响空间分辨率的各种因素。高空间分辨率的观测方法及数据处理。