借助天文望远镜追踪暗物质，偏振像差不可忽略

本文为中国激光第1762篇。

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封面故事|罗敬;何煦;范阔;张晓辉;董吉洪. 无遮拦离轴天文望远镜偏振像差分析及其对光学椭率的影响[J].光学学报,2020, 40(8): 0811001.

现代天文学认为暗物质可能大量存在于宇宙的各星系、星团之中，其质量远大于全部可见天体。尽管暗物质无法直接观测，但是根据爱因斯坦的广义相对论，其会在周边空间形成弱引力透镜效应，导致光从中穿过时会发生弯曲（如图1所示），使得原本在望远镜像面形成圆形衍射斑的天体和星系，会变得具有一定椭率。因此，可以利用天文望远镜测量并统计大范围天体目标的成像椭率来研究弱引力透镜效应。

图1 光弯曲示意图

欧洲宇航局的Euclid空间望远镜、美国宇航局的WFIRST项目以及中国的多功能光学设施（由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所牵头研制）等均致力于观测弱引力透镜效应。

然而，这是一项极具挑战性的工作，原因在于弱引力透镜效应对星系成像椭率的影响非常微弱，往往小于天文望远镜自身非理想光学特性造成的椭率变化。因此，为满足探测弱引力透镜效应的精度要求，望远镜系统自身必须具有极其优越的成像特性。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所罗敬课题组通过偏振光线追迹，首次分析了我国将用于探测宇宙弱引力透镜效应的无遮拦离轴反射式望远镜的偏振像差，其琼斯矩阵在出瞳面的分布如图2所示。可以发现出瞳面内各个位置的琼斯矩阵均不同程度地偏离单位矩阵，表明该望远镜存在偏振像差。

图2 无遮拦离轴反射式望远镜的琼斯瞳图

计算发现偏振像差导致在研的离轴反射式天文望远镜光学椭率在全视场范围内发生不同程度地变化，最大改变量为7.5×10^-3，平均改变量为2.7×10^-3（如图3所示），并且会将椭率插值误差最大值由1.2×10^-4增大为1.1×10^-3。本文研究结果表明，对于探测弱引力透镜效应等要求超高像质的天文望远镜，偏振像差不可忽略。

图3 不同镀膜条件下离轴望远镜的椭率以及椭率变化值在全视场的分布。（a）理想镀膜；（b）镀铝膜；（c）两种镀膜导致的椭率变化

在后续工作中，需对该望远镜的镀膜进行优化设计，并结合其最终镀膜特点，对望远镜的偏振像差再次进行分析。

延伸阅读：

[1] 季杭馨; 朱永田; 胡中文.极大望远镜高效率多通道光谱仪光学系统设计[J], 光学学报,2019,39(3): 0330003.

[2] 郭泰;戴懿纯;杨德华;等.环形拼接太阳望远镜主镜控制系统频率特性[J]. 光学学报,2018,38(11): 1122001.

[3] 董健;许志强;孙云霞;等.基于多波束相位恢复的射电望远镜主反射面动态形变的快速测量[J]. 光学学报,2018,38(6): 0612005.

[4] 况耀武;何志平;袁立银;等.微弧度量级发散角光束发射系统的设计与实现[J]. 中国激光, 2018,45(6): 0207017.

[5] 徐宏;杨利伟;杨会生.大型光学望远镜主动支撑系统研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(10): 100002.

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