一種模擬恒星Doppler視向速度的實驗裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于模擬測量恒星Doppler視向速度的實驗裝置與方法。該裝置包含模擬光源、分束器、轉(zhuǎn)盤、回射膠帶、電機(jī)及其控制系統(tǒng)、光開關(guān)和光纖及耦合系統(tǒng)。用鹵鎢燈和碘蒸氣吸收池模擬類似恒星譜線；轉(zhuǎn)盤在電機(jī)及其控制系統(tǒng)的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤傾斜放置用于產(chǎn)生需要的視向方向速度，轉(zhuǎn)盤上的回射膠帶沿視向方向使光束反轉(zhuǎn)并耦合進(jìn)入光纖，在出射端進(jìn)入待測測量系統(tǒng)。光開關(guān)用于控制光束通過或不通過轉(zhuǎn)盤從而實現(xiàn)發(fā)生或未發(fā)生Doppler頻移兩種狀態(tài)。該實驗裝置實現(xiàn)了在實驗室環(huán)境下模擬恒星Doppler視向速度，具有體積小、重量輕、速度連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，適合作為在實驗室條件下模擬恒星發(fā)生Doppler紅移或藍(lán)移情況的速度變化。
【專利說明】
一種模擬恒星Doppler視向速度的實驗裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于一種模擬實驗方法，具體涉及一種通過物體發(fā)生相對運動引起光譜發(fā) 生頻移來模擬恒星運動產(chǎn)生視向速度的實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過測量恒星視向速度的微小的周期性變化是天文學(xué)領(lǐng)域用來尋找系外行星、測 量宇宙膨脹速度和基本物理常數(shù)細(xì)微變化的一種重要方法。這種測量方法的基本原理是多 普勒效應(yīng)，它表示由于波源與觀察者之間存在相對運動，使觀察者感到頻移發(fā)生變化的現(xiàn) 象。通過測量視向方向上的光源光譜發(fā)生的頻移量即可反演出恒星沿視向方向的瞬時速 度。光譜頻移量的測量通常使用超高分辨率光譜儀來實現(xiàn)。
[0003] 目前尚未在專利或文獻(xiàn)資料上查閱到在實驗室環(huán)境下模擬恒星視向速度的方法。 高精度光譜儀在經(jīng)過超高精度的光譜定標(biāo)后通常在地基天文臺與大型望遠(yuǎn)鏡結(jié)合直接觀 測標(biāo)準(zhǔn)星來檢驗光譜儀的各項性能并進(jìn)行同步定標(biāo)，這將占用大型望遠(yuǎn)鏡的一部分觀測時 間，并且準(zhǔn)備時間長，運行成本高。這種需要借用大型望遠(yuǎn)鏡開展測試工作的情形不適合光 譜儀研制單位在普通實驗室來檢驗光譜儀的測量性能。雖然可以在實驗室條件下通過改變 光源光譜波長或頻率的方式來產(chǎn)生頻移，但由于速度變化通常只產(chǎn)生極其微小的頻率變 化，使得光源的光譜變化無法精確測量，從而對光譜儀器的測量精度產(chǎn)生很大誤差或者無 法判定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決上述問題而提出了一種在實驗室條件下模擬恒星 Doppler視向速度的裝置與方法。該方法能較為真實的模擬恒星在視向方向上的運動而引 起光譜發(fā)生波長或頻率移動的情形。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種模擬恒星Doppler視向速度的實驗裝置，包括白光 齒媽燈光源、準(zhǔn)直物鏡、碘蒸氣吸收池、分束器、光開關(guān)、回射膠帶、轉(zhuǎn)盤、電機(jī)、控制器、轉(zhuǎn)速 表和光纖及耦合系統(tǒng)。發(fā)出連續(xù)白光的鹵鎢燈經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡的準(zhǔn)直后通過碘蒸氣吸收池后 產(chǎn)生類似恒星的大氣吸收光譜，光束穿過分束器后入射至轉(zhuǎn)盤上，電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn) 產(chǎn)生速度，電機(jī)控制器控制電機(jī)速度產(chǎn)生連續(xù)變化。轉(zhuǎn)盤沿光束傳輸方向以一定角度傾斜 放置，轉(zhuǎn)盤上的回射膠帶使入射光束按原路返回，分束器將帶有Doppler速度信息的光束耦 合入光纖并在出射端傳出進(jìn)入待測測量系統(tǒng)。光開關(guān)用來控制光束產(chǎn)生或不產(chǎn)生Doppler 速度信息;轉(zhuǎn)盤以與光束入射成某一角度傾斜放置，轉(zhuǎn)盤由電機(jī)驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)控制器 控制轉(zhuǎn)動速度連續(xù)變化。轉(zhuǎn)盤上粘貼有回射膠帶，回射膠帶將入射的光束按原路反射回分 束器來模擬視向方向速度;入射至轉(zhuǎn)盤的光束落在轉(zhuǎn)盤或回射膠帶的邊緣，以模擬獲得最 大量程的視向速度;在分束器和轉(zhuǎn)盤的光路之間放置有可以90度角切入或退出光路的光開 關(guān)，光開關(guān)上粘貼有同樣類型的回射膠帶；電機(jī)可連續(xù)調(diào)速并且可以順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)， 用以模擬恒星光譜的紅移或藍(lán)移運動。
[0006]本發(fā)明還提供一種模擬恒星Doppler視向速度的實驗方法，發(fā)出連續(xù)白光的鹵媽 燈通過碘蒸氣吸收池后產(chǎn)生類似恒星的大氣吸收光譜，光束穿過分束器后入射至轉(zhuǎn)盤上， 電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生速度，電機(jī)控制器控制速度產(chǎn)生連續(xù)變化，轉(zhuǎn)盤沿光束傳輸方 向以一定角度傾斜放置，轉(zhuǎn)盤上的回射膠帶使入射光束按原路返回，分束器將帶有Doppler 速度信息的光束耦合入光纖并在出射端進(jìn)入待測測量系統(tǒng)，光開關(guān)控制光束產(chǎn)生或不產(chǎn)生 Dopp 1 er速度信息。
[0007] 其中，所述轉(zhuǎn)盤以與光束入射成某一角度傾斜放置，轉(zhuǎn)盤由電機(jī)驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，電 機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)動速度連續(xù)變化，轉(zhuǎn)盤上粘貼有回射膠帶，回射膠帶將入射的光束按原路 反射回分束器來模擬視向方向速度。
[0008] 其中，入射至轉(zhuǎn)盤的光束落在轉(zhuǎn)盤或回射膠帶的邊緣，以模擬獲得最大量程的視 向速度。
[0009] 其中，在分束器和轉(zhuǎn)盤的光路之間放置有以90度角切入或退出光路的光開關(guān)，光 開關(guān)上粘貼有同樣類型的回射膠帶。
[0010] 其中，電機(jī)可連續(xù)調(diào)速并且可以順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，用以模擬恒星光譜的紅移 或藍(lán)移運動。
[0011] 本發(fā)明有以下優(yōu)點:本套實驗裝置使用方便、成本低;能在實驗室條件下模擬恒星 發(fā)生Doppler運動產(chǎn)生的視向速度變化而無需借助天文臺大型望遠(yuǎn)鏡實際觀測標(biāo)準(zhǔn)星;產(chǎn) 生的速度量實時可控并且可以模擬恒星藍(lán)移或紅移兩個方向，不受時間、空間條件限制;產(chǎn) 生的速度精度高并可以實時監(jiān)控。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明模擬測量恒星Doppler視向速度實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2為光束與轉(zhuǎn)盤幾何關(guān)系圖。
[0014] 圖中附圖標(biāo)記含義為：1為白光光源鹵鎢燈，2為準(zhǔn)直物鏡，3為碘吸收池，4為分束 器，5為光開關(guān)，6為回射膠帶，7為轉(zhuǎn)盤，8為電機(jī)，9為控制器，10為轉(zhuǎn)速顯示器，11為光纖及 耦合系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖以及具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0016] 參照圖1，一種模擬測量恒星Doppler視向速度實驗裝置，包括白光光源鹵鎢燈1， 準(zhǔn)直物鏡2,碘吸收池 3,分束器4、光開關(guān)5、回射膠帶6、轉(zhuǎn)盤7、電機(jī)8、控制器9、轉(zhuǎn)速顯示器 10、光纖及耦合系統(tǒng)11。其中：
[0017] 鹵鎢燈1，作為白光光源，用于產(chǎn)生連續(xù)背景白光；
[0018] 準(zhǔn)直物鏡2，用于將鹵鎢燈1出射的光束準(zhǔn)直。
[0019] 碘蒸氣吸收池 3,作為吸收源，用于產(chǎn)生吸收光譜，放置在所述鹵鎢燈1之后與其組 成恒星光譜模擬系統(tǒng)，形成背景白光中分離的多條與吸收源相關(guān)的本征暗光譜。
[0020] 分束器4,分光界面為透過率和反射率為1:1的分光膜，在入射端將光束準(zhǔn)直后傳 輸至后續(xù)系統(tǒng)，并將后續(xù)系統(tǒng)反射回的光束傳輸至光纖11的入射端。
[0021] 光開關(guān)5,放置在分束器4與Doppler轉(zhuǎn)盤7之間，可以90度角切入或退出光路，其上 粘貼有回射膠帶6。
[0022] 回射膠帶6,為一種由微棱鏡晶體組成反射面的膠帶，用于將入射的光束按原方向 反射。
[0023] 轉(zhuǎn)盤7,放置在所述光開關(guān)5之后，在電機(jī)8的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動。其邊緣上粘貼有環(huán)形回 射膠帶6。
[0024]電機(jī)8,載有所述的Doppler轉(zhuǎn)盤7,并與電機(jī)控制器9相連，由電機(jī)控制器9控制產(chǎn) 生所需的轉(zhuǎn)動速度和方向。
[0025]控制器9,與電機(jī)8和轉(zhuǎn)數(shù)顯示器9相連，用于控制電機(jī)8的轉(zhuǎn)動狀態(tài)并將速度脈沖 信號傳輸至轉(zhuǎn)數(shù)顯示器。
[0026]轉(zhuǎn)數(shù)表10,與電機(jī)8控制器9相連，用于實時顯示電機(jī)8的轉(zhuǎn)動速度，單位為每分鐘 內(nèi)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。
[0027] 光纖及耦合系統(tǒng)11，用于將從Doppler轉(zhuǎn)盤7或光開關(guān)5回射的光束傳輸至測試端 □ 〇
[0028] 鹵鎢燈1與碘吸收池2組成恒星光譜模擬系統(tǒng)，回射膠帶6、電機(jī)8、電機(jī)控制器9和 轉(zhuǎn)數(shù)表10組成Doppler速度信號發(fā)生裝置，環(huán)形膠帶粘貼在Doppler轉(zhuǎn)盤7邊緣。電機(jī)控制器 9控制電機(jī)8的轉(zhuǎn)動速度和方向，轉(zhuǎn)速脈沖信號傳輸至讀數(shù)顯示器并讀出。
[0029]參照圖2，設(shè)入射到轉(zhuǎn)盤7上的光束中心點為I，轉(zhuǎn)盤7圓心為0，0點與I點之間的距 離為L，單位為米，I點所在的半徑為0B。光束與轉(zhuǎn)盤7的夾角為:α，與其在轉(zhuǎn)盤7平面上的投 影直線之間的夾角;光束投影與0Β的夾角為β。轉(zhuǎn)盤7的轉(zhuǎn)速為Ω，單位為轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘，則轉(zhuǎn)盤 7對光束產(chǎn)生的Doppler速度為
，單位為米/秒。
[0030] 本發(fā)明模擬試驗方法：
[0031] 使鹵鎢燈1通電并保持30分鐘，用燈罩選取一部分通光口徑的光束通過準(zhǔn)直物鏡2 準(zhǔn)直后進(jìn)入碘吸收池3的玻璃窗口，碘吸收池3使用加熱片均勻加熱至50°C。調(diào)整光路使光 束穿過碘吸收池3和分束器4,調(diào)整電機(jī)8和轉(zhuǎn)盤7的位置使光斑落在回射膠帶6的外邊緣部 分，并使轉(zhuǎn)盤7與光束成某一角度。連接電機(jī)8與控制器9和轉(zhuǎn)速表10,利用控制器9可控制電 機(jī)8的轉(zhuǎn)動方向和速度。在分束器4與轉(zhuǎn)盤7之間放置光開關(guān)5,光開關(guān)5上粘貼有回射膠帶6， 光開關(guān)5可遠(yuǎn)程控制以90度插入或退出光路。從轉(zhuǎn)盤7或光開關(guān)5返回的光束重新返回到分 束器4內(nèi)，然后被反射并耦合進(jìn)入光纖11，光纖11的出射端即可連接各種測量儀器。當(dāng)光開 關(guān)5為退出光路狀態(tài)時，光束入射到轉(zhuǎn)盤7上，經(jīng)過轉(zhuǎn)盤7的調(diào)制，帶有Doppler速度信息的光 束被傳輸至光纖11的出射端。當(dāng)光開關(guān)5為切入光路狀態(tài)時，光束入射到光開關(guān)5上，被直接 反射回分束器4,在光纖11的出射端為不攜帶Doppler速度信息。光開關(guān)5兩種狀態(tài)傳出的光 束信息測量的差值即為實時Doppler速度。
【主權(quán)項】
1. 一種模擬恒星Doppler視向速度的實驗裝置，其特征在于:包括白光鹵鎢燈光源（1)、 準(zhǔn)直物鏡(2)、碘蒸氣吸收池(3)、分束器(4)、光開關(guān)(5)、回射膠帶(6)、轉(zhuǎn)盤(7)、電機(jī)(8)、 控制器(9 )、轉(zhuǎn)速表（10)和光纖及耦合系統(tǒng)（11 )，發(fā)出連續(xù)白光的鹵鎢燈（1)經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡 (2)的準(zhǔn)直后通過碘蒸氣吸收池(3)后產(chǎn)生類似恒星的大氣吸收光譜，光束穿過分束器(4) 后入射至轉(zhuǎn)盤(7)上，電機(jī)(8)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤(7)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生速度，電機(jī)控制器(9)控制電機(jī)(8) 速度產(chǎn)生連續(xù)變化，轉(zhuǎn)盤(7)沿光束傳輸方向以一定角度傾斜放置，轉(zhuǎn)盤(7)上的回射膠帶 (6)使入射光束按原路返回，分束器(4)將帶有Doppler速度信息的光束耦合入光纖（11)并 在出射端傳出進(jìn)入待測測量系統(tǒng)，光開關(guān)(5)用來控制光束產(chǎn)生或不產(chǎn)生Doppler速度信 息;轉(zhuǎn)盤(7)以與光束入射成某一角度傾斜放置，轉(zhuǎn)盤(7)由電機(jī)(8)驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)控 制器(9)控制轉(zhuǎn)動速度連續(xù)變化，轉(zhuǎn)盤(7)上粘貼有回射膠帶(6)，回射膠帶(6)將入射的光 束按原路反射回分束器(4)來模擬視向方向速度;入射至轉(zhuǎn)盤(7)的光束落在轉(zhuǎn)盤(7)或回 射膠帶(6)的邊緣，以模擬獲得最大量程的視向速度;在分束器(4)和轉(zhuǎn)盤(7)的光路之間放 置有可以90度角切入或退出光路的光開關(guān)(5)，光開關(guān)（5)上粘貼有同樣類型的回射膠帶 (6);電機(jī)(8)可連續(xù)調(diào)速并且可以順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，用以模擬恒星光譜的紅移或藍(lán)移 運動。2. -種模擬恒星Doppler視向速度的實驗方法，其特征在于，發(fā)出連續(xù)白光的鹵媽燈 (1)通過碘蒸氣吸收池(2)后產(chǎn)生類似恒星的大氣吸收光譜，光束穿過分束器(4)后入射至 轉(zhuǎn)盤(7)上，電機(jī)(8)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤(7)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生速度，電機(jī)控制器(9)控制速度產(chǎn)生連續(xù)變 化，轉(zhuǎn)盤(7)沿光束傳輸方向以一定角度傾斜放置，轉(zhuǎn)盤(7)上的回射膠帶(6)使入射光束按 原路返回，分束器(4)將帶有Doppler速度信息的光束耦合入光纖（11)并在出射端進(jìn)入待測 測量系統(tǒng)，光開關(guān)(5)控制光束產(chǎn)生或不產(chǎn)生Doppler速度信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬恒星Doppler視向速度的實驗方法，其特征在于:所述轉(zhuǎn) 盤(7)以與光束入射成某一角度傾斜放置，轉(zhuǎn)盤(7)由電機(jī)驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)控制器(9)控 制轉(zhuǎn)動速度連續(xù)變化，轉(zhuǎn)盤(7)上粘貼有回射膠帶(6)，回射膠帶(6)將入射的光束按原路反 射回分束器(4)來模擬視向方向速度。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬恒星Doppler視向速度實驗方法，其特征在于:入射至轉(zhuǎn) 盤(7)的光束落在轉(zhuǎn)盤(7)或回射膠帶(6)的邊緣，以模擬獲得最大量程的視向速度。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬恒星Doppler視向速度實驗方法，其特征在于:在分束器 (4)和轉(zhuǎn)盤(7)的光路之間放置有以90度角切入或退出光路的光開關(guān)(5)，光開關(guān)(5)上粘貼 有同樣類型的回射膠帶(6)。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬恒星Doppler視向速度的實驗方法，其特征在于：電機(jī)(8) 可連續(xù)調(diào)速并且可以順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，用以模擬恒星光譜的紅移或藍(lán)移運動。
【文檔編號】G09B25/00GK106097864SQ201610411202
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日 公開號201610411202.4, CN 106097864 A, CN 106097864A, CN 201610411202, CN-A-106097864, CN106097864 A, CN106097864A, CN201610411202, CN201610411202.4
【發(fā)明人】程欣, 方亮, 張輝, 彭翔, 劉恩海, 周向東
【申請人】中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所