《nfiraos project update: preparing for construction》学术总结

这篇文章的主要作者包括 Jenny Atwood, Peter W. Byrnes, Jeffrey Crane, Joeleff Fitzsimmons 等人，他们隶属于加拿大全国研究委员会 Herzberg 天文学和天体物理学研究中心 (NRC-HAA)，以及 BTMT International Observatory 等机构。这篇文章发表在《Proc. of SPIE Vol. 13097》期刊上，并于 2024 年发布。

研究背景

文中报告的研究主要涉及天文学领域，特别是红外自适应光学系统的设计和开发。文章重点介绍了 NFIRAOS (狭域红外自适应光学系统, Narrow-Field Infrared Adaptive Optics System)，这是为三十米望远镜 (Thirty Meter Telescope, TMT) 开发的首光多共轭自适应光学系统 (Multi-Conjugate Adaptive Optics System, MCAO)。NFIRAOS 的主要目标是支持 TMT 的科学观测，提供卓越的观测图像质量，覆盖 2 弧分视场，并确保在近红外波长 (0.8-2.4 微米) 提供接近衍射极限的性能。

研究背景中提到，NFIRAOS 在 2018 年通过了详细设计评审 (Final Design Review, FDR)，但近年来由于技术需求和设计调整，部分子系统和组件发生了显著变化。文章旨在全面更新 NFIRAOS 的设计进展，并为即将开始的建设阶段做好准备。

工作流程与研究步骤

NFIRAOS 的设计和准备阶段分为多个主要部分：

1. 系统总体概述与关键设计目标
   NFIRAOS 被设计为安装在 TMT 的 Nasmyth 平台上，支持三种近红外设备。系统采用六个激光导星波前传感器 (Laser Guide Star Wavefront Sensors, LGS WFS) 和一个高阶自然导星金字塔波前传感器 (Natural Guide Star Pyramid Wavefront Sensor, NGS WFS)。为了在天体观测中达到高分辨率性能，系统包含两个变形镜 (Deformable Mirrors, DMs)，并设计了一系列光机子系统，包括窗口、分光装置、电子器件、冷却系统，以及计算系统。

2. 光学外壳冷却系统改进
   原有冷却系统设计使用 R507 制冷剂，但后来改为采用对环境更加友好的 CO2 制冷剂 (R744)。新的设计包含泵送液体过量供给的 CO2，从 -30°C 的沸点压力运行，并将冷却回路改进为两级设计。原型测试表明，改进的冷却系统可通过实现对关键组件的隔振，同时满足振动限制。

3. 激光导星波前传感器的重新设计
   因为采用了 First Light Imaging 公司提供的 C-Blue 相机，LGS WFS 的光学设计进行了重大更新，新设计的透镜阵列和中继系统实现了更高的分辨率和帧速率。新相机的小型化特性也导致机械设计需要更新。研究团队为此构建了一套具有插拔性质的模块化设计，使其在进行校准和服务时具有更高的可操作性。

4. 科学校准单元的进展
   NFIRAOS 科学校准单元 (NFIRAOS Science Calibration Unit, NSCU) 被并入了 NFIRAOS 的工作范围中，并迅速完成概念设计。NSCU 的主要任务是提供校准光源，这些光源通过积分球和光学反射镜以均匀方式照射 NFIRAOS 系统。

5. 变形镜电子系统原型开发
   文章中特别提到变形镜电子系统的要求以及如何满足严格的时间延迟标准（从波前传感器读取数据到变形镜响应的总时延需小于 2.3 毫秒）。团队通过原型电路测试初步验证了电子系统满足运行需求。

6. 其他子系统更新
   多个低风险子系统也已取得显著进展，例如 DM11 的固定设计完成了最终评审，NFIRAOS 入射窗口 (NFIRAOS Entrance Window, NWIN) 的双层真空设计优化了热平衡，其他子系统如可见光导星波前传感器 (NVNW) 和相关折叠镜的概念设计也在推进中。此外，文章还提到对系统光学对准方法的验证，使用中心对准标记技术确保了光学元素在高精度下的对齐。

主要结果

各研究步骤产生了若干重要结果：
1. 冷却系统的新设计有效减少了环境影响，同时通过振动测试验证了系统运行的稳定性。 2. 激光导星波前传感器的改进设计提升了系统的图像解析能力，新加入的 C-Blue 相机在像素数量和噪声控制方面表现优越。 3. 对不同子系统的机械和光学设计更新，降低了运行风险，为后续建设奠定了基础。 4. 变形镜电子子系统的时间响应性能经过验证，与设计目标一致，保持了一定裕量。

结论与意义

文章总结了过去几年 NFIRAOS 项目的设计进展和技术优化。这些努力确保了改进后的系统设计更加符合 TMT 的科学观测需求。NFIRAOS 系统的开发将为 TMT 提供全球最高分辨率的近红外观测能力，其在天文学领域的科学意义和应用价值不可估量。其他亮点如冷却系统的环境友好性、波前传感器模块化设计带来的易操作性、科学校准单元的优化设计等，都显示了项目的创新性和前瞻性。这些进展推动了系统从设计到建设的无缝过渡。

特别亮点

• 使用 CO2 制冷剂的冷却系统，在减少环境危害同时满足复杂的技术要求。
• 集成先进技术的激光导星波前传感器与传统系统相比显著提升了性能。
• 高效率的变形镜电子系统开发，实现了严格时间约束下的快速响应。
• 科学校准单元的设计增强了系统校准与观测的可靠性。

NFIRAOS 的建设是天文界一项跨领域合作的典范，具备显著的技术和科学意义。这一项目的推进将显著提升国际天文研究的观测能力，同时为未来自适应光学系统的开发树立标杆。