XMM-Newton Reflection Grating Spectrometer
本文概述衍射光栅光谱仪原理，重点介绍 XMM-Newton 反射光栅光谱仪的性能、定标及其在天体物理中的突破性应用，并说明 RGS 数据缩减方法。
2023-07-04 astro-ph.HE astro-ph.IM
Calibration and in orbit performance of the reflection grating spectrometer onboard XMM-Newton
背景：XMM-Newton于1999年12月10日发射，自2000年初以来一直在运行。XMM-牛顿号上的仪器之一是反射光栅光谱仪（RGS）。有两个相同的RGS仪器可供使用，每个RGS都结合了反射光栅组件（RGA）和带CCD的相机来记录光谱。目的：我们描述的RGS仪器的校准和在轨性能。通过将飞行前校准与适当的飞行中校准数据相结合，包括探测器性能随时间的变化，我们的目标是深入了解校准的准确性。这对于正确科学地解释各种天体的光谱特征至关重要。方法：仅地面校准无法完全表征仪器。专用的飞行测量和持续监测对于全面了解仪器和仪器响应随时间的变化至关重要。仪器的物理模型被调整为与校准测量一致，并且是可以在整个参数空间上内插实际仪器响应的基础。结果如下：仪器响应的不稳定性已降低到有效面积的< 10%和波长范围（从8 A到34 A）的< 6 mA。剩余的系统的不确定性检测弱吸收功能已被估计为1.5%。结论：基于大量的飞行中校准数据和与XMM-牛顿上其他仪器的比较，RGS仪器的校准精度比飞行前校准有了很大的提高。
2014-10-20 astro-ph.IM
ZEUS-2: a second generation submillimeter grating spectrometer for exploring distant galaxies
ZEUS-2是第二代（z）红移和早期宇宙光谱仪，与其前身一样，是一台中等分辨率（R~1000）的长缝中阶梯光栅光谱仪，用于探测遥远星系的微弱宽谱线。它被设计用来研究跨越宇宙时间的恒星形成。ZEUS-2采用三个TES测辐射热计阵列（总共555个像素），在多达4个亚毫米窗口中同时提供多波束光谱。NIST博尔德制造的阵列工作温度约为100 mK，并通过SQUID多路复用器和不列颠哥伦比亚大学的多通道电子设备读出。仪器通过脉冲管冷却器和两级ADR冷却。不同的滤波器配置使ZEUS-2能够访问200至850微米的7个不同的大地窗口，从而能够同时映射来自扩展源的线或同时检测来自z = 1-2星系的158微米[CII]线和[NII] 122或205微米线。ZEUS-2设计用于CSO、APEX和可能的JCMT。
2010-10-07 astro-ph.CO astro-ph.IM
Performance Testing of a Large-Format Reflection Grating Prototype for a Suborbital Rocket Payload
OGRE（Off-Plane Grating Rocket Experiment）上的软X射线光栅光谱仪希望在通过亚轨道火箭发射时获得天体物理物体的最高分辨率软X射线光谱。光谱仪成功的关键在于构成其反射光栅组件的$>250$反射光栅的性能。为了测试目前的光栅制造能力，有效载荷的光栅原型是在宾夕法尼亚州立大学材料研究所通过电子束光刻制造的，随后在马克斯普朗克地外物理研究所的PANTER X射线测试设施进行了性能测试。通过马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）采样得到的数据的贝叶斯建模表明，光栅在94%的置信水平下达到了$R_{g}(λ/Δλ)>4500$的OGRE单光栅分辨率要求。得到的$R_g$后验概率分布表明，该置信水平可能是保守估计，因为仅对有限的$R_g$参数空间进行了采样，并且模型无法将$R_g$的上限限制为小于无穷大。系统的光线跟踪模拟发现，所观察到的数据可以再现与光栅在$R_g=\infty$执行。因此，假设所获得的$R_g$后验概率分布的行为可以通过系统的有限测量极限而不是$R_g$的有限极限来解释。这些结果的影响和改进的测试设置进行了讨论。
2020-11-02 astro-ph.IM
Arrayed Waveguide Grating Spectrometers for Astronomical Applications: New Results
光子学在天文仪器中的一个有希望的应用是用于大型地面和空间天文望远镜的近红外光谱仪的小型化。在这里，我们提出了新的成果，从我们的努力，制造阵列波导光栅（AWG）光谱仪天文应用完全在内部。我们最新的器件具有约23%的峰值总吞吐量，约1300的光谱分辨率（$λ/δλ$），并覆盖横向电（TE）偏振的整个H波段（1450-1650 nm）。这些AWG使用具有非常薄的Si 3 N4层的硅上二氧化硅平台作为波导的核心。它们在~1600 nm的波长下具有~10 nm的自由光谱范围，并且具有约2%（~ 17 dB）的对比度或串扰。讨论了实现AWG作为天文光谱仪的各个实际方面，包括光纤和AWG之间的光耦合，高温退火以提高器件在~1500 nm处的吞吐量，AWG输出焦平面处的劈裂以提供连续的波长覆盖，以及使器件在宽带上偏振不敏感的新算法。这些里程碑将指导下一代AWG的开发，具有更宽的自由光谱范围和更高的分辨率和吞吐量。
2017-07-11 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Effective area calibration of the reflection grating spectrometers of XMM-Newton. II. X-ray spectroscopy of DA white dwarfs
白矮星光谱已被广泛用作X射线和EUV仪器的校准源。XMM-牛顿反射光栅光谱仪（RGS）的有效面积空中校准依赖于可靠校准源的可用性。我们调查如何以及这些白矮星光谱可以用作标准蜡烛在最低的X射线的能量，以衡量绝对有效面积尺度的X射线仪器。我们计算了天狼星B和HZ 43 A的模型大气网格，并使用几个约束条件调整参数，直到两颗恒星的光谱比与钱德拉的低能透射光栅光谱仪（LETGS）观察到的比值一致。该比率与LETGS的有效面积中的任何误差无关。我们发现，我们可以约束的绝对X射线光谱的两颗恒星优于5%的精度。这两颗恒星的最佳模型接近于纯氢大气，我们对这两颗恒星中氦的数量或氢层的厚度进行了严格限制。我们对天狼星B中氦丰度的上限是之前基于EUVE数据检测到的氦丰度的4倍。我们还发现，我们的结果对天狼星B中莱曼伪连续不透明度中采用的截止值很敏感。我们得到最好的协议与长波长截止。白矮星模型大气可以用来推导X射线谱仪在最低能带的有效面积。绝对有效面积的精度可达到3- 4%。
2009-02-13 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Stellar Spectroscopy Using Diffraction Grating, CMOS Monochrome Sensor and Reflecting Telescopes
School of Physical Sciences, National Institute of Science Education and Research, HBNI（物理科学学院，国家科学教育与研究中心，HBNI）
本文设计了一款低成本紧凑型恒星光谱仪，可与教育机构常见反射望远镜集成，成功记录多颗亮星光谱，为学生主导天文仪器项目提供实用框架。
2026-08-05 astro-ph.IM physics.ed-ph
Calibration strategy for the SPICA/SAFARI instrument
SPICA是一个中红外到远红外空间任务，旨在探索星系，恒星和行星的形成过程。SPICA/SAFARI是一种远红外光谱仪，可提供34至230微米的近背景有限观测。SAFARI的核心由4个光栅模块组成，每个模块将光分散到5个TES探测器阵列上。光栅模块在整个波长范围内提供低分辨率（250）瞬时光谱。高分辨率（1500至12000）模式是通过在光栅前放置傅里叶变换光谱仪（FTS）来实现的。每个光栅模块检测器看到干涉图，从该干涉图可以构造高分辨率光谱。SAFARI数据将是复杂的光谱、时间和空间信息的叠加。除了<1%的光谱校准精度外，还需要1%的相对通量校准和10%的绝对通量校准精度。本文将讨论SAFARI的校准策略及其对仪器设计的影响
2021-01-12 astro-ph.IM
Simulations of the Spectral Resolving Power of a Compact Space-Borne Immersion-Echelle Spectrometer Using Mid-Infrared Wave Tracing
我们进行了基于波动光学的数值模拟，在中红外波长的入射狭缝和光学像差的存在或不存在如何影响的光谱分辨率$R$的紧凑，高光谱分辨率的光谱仪包含浸没中阶梯光栅。我们测试了三种情况下的望远镜像差（无像差，散光和球面像差），假设像差预算的宇宙学和天体物理学空间红外望远镜（SPICA），它有一个20- $\mathrm{μm}$ -波长的衍射极限。在有狭缝的情况下，我们发现$R$的值在10- 20 $\mathrm{μm}$左右，近似与假定的像差无关，这与几何光学的预测明显不同。我们的研究结果还表明，从狭缝衍射提高了$R$通过扩大光栅窗口上的有效照明面积，这种改善在短波长下降。对于无狭缝的情况，我们发现像差对$R$的影响可以使用Strehl比率粗略估计。
2022-06-07 astro-ph.IM
Development of the Fabry-Perot interferometers for the HIRMES spectrometer on SOFIA
HIRMES是一种远红外光谱仪，被选为美国宇航局SOFIA机载天文台的第三代仪器。HIRMES承诺在覆盖25和122 $μ$ m之间的波长范围的四种模式下的背景限制性能。高光谱分辨率（$R \approx 10^5$）模式匹配，以达到最大的灵敏度上的速度分辨线，研究原行星盘的演变。中等分辨率（$R \approx 12, 000$）模式适合于银河系恒星形成区的高灵敏度成像，例如，几个远红外精细结构线。低分辨率（$R \approx 2000$）成像模式是优化的光谱映射的远红外精细结构线从附近的星系，而低分辨率（$R \approx 600$）光栅光谱仪模式是优化的探测尘埃和冰的功能，在原恒星和原行星盘。几个过渡边缘传感（TES）测辐射热计阵列将提供这些模式中的每一个的背景有限的灵敏度。为了优化各种仪器模式下的性能，HIRMES采用了八个独特的完全可调低温法布里-珀罗干涉仪（FPI）和一个光栅光谱仪。在这里，我们提出了这些可调FPI的设计要求和机械和光学特性和性能，以及设置反射镜分离并允许FPI扫描的控制电子设备。
2018-08-17 astro-ph.IM
Wideband Infrared Spectrometer for Characterization of Transiting Exoplanets with Space Telescopes
本文提出了一个概念设计的光谱仪，专门用于表征过境系外行星与星载红外望远镜。采用交叉色散的设计旨在简单、紧凑、高度稳定，并且具有在宽波长区域上以高吞吐量同时覆盖的能力。典型的波长覆盖范围和光谱分辨能力分别为1-13微米，光谱分辨能力约为几百。基线设计包括两个探测器，两个棱镜与二向色涂层和微结构光栅表面，和三个反射镜。不采用运动部件。散焦的效果进行评估的情况下，一个简单的移位的检测器，和各向异性散焦，以保持光谱分辨率。还讨论了设计的变化及其在计划任务中的应用。
2012-05-09 astro-ph.IM
Development of high resolution arrayed waveguide grating spectrometers for astronomical applications: first results
天文光子学是下一代方法，它为即将到来的大型望远镜提供了近红外（NIR）光谱仪，并使其更加坚固和廉价。我们的光谱仪的目标要求是：约3000的分辨率，宽光谱范围（J和H波段），约30 nm的自由光谱范围，约80%（-1dB）的高片上吞吐量和小于1%（-20dB）的相邻片上波长通道之间的低串扰（高对比度）。阵列波导光栅（AWG）是一种很有前途的光子技术，以实现这些要求。我们已经开发出第一代AWG器件，使用硅基硅衬底，在波导的核心中有一层非常薄的氮化硅。通过优化波导的几何形状来最小化波导弯曲损耗。我们的第一代AWG器件专为H波段设计，分辨率约为1500，自由光谱范围约为10 nm，中心波长为1600 nm。这些器件的基底面仅为12 mm x 6 mm，具有宽带（1450-1650 nm）特性，片上峰值吞吐量约为80%（-1 dB），对比度约为1.5%（-18 dB）。这些结果证实了我们的设计，制造和模拟方法的鲁棒性。目前，这些器件是针对横向电（TE）偏振设计的，所有结果都是针对TE模式的。我们正在开发单独的J和H波段AWG，在更宽的自由光谱范围内具有更高的分辨率，更高的吞吐量和更低的串扰，使它们更适合天文应用。
2016-06-08 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Effective area calibration of the Reflection Grating Spectrometers of XMM-Newton. I. X-ray spectroscopy of the Crab nebula
蟹状星云和脉冲星被广泛用作X射线仪器的定标源。XMM-牛顿反射光栅光谱仪（RGS）的空中有效面积校准依赖于可靠校准源的可用性。我们研究如何使用螃蟹作为标准蜡烛的绝对有效面积校准的RGS可以获得。我们分析了RGS观测的螃蟹使用不同的仪器配置和空间偏移，并利用以前的测定的连续光谱的星云加脉冲星。由于RGS的高光谱分辨率，我们解决了主要的吸收边和检测中性氧的强1 s-2 p吸收线。我们得到了一个很好的适合螃蟹光谱使用这个固定的连续和吸收光谱确定的RGS。我们得到了H、N、O、Ne、Mg和Fe中性原子的精确柱密度，以及Fe II的清晰检测和其他离子的严格上限。我们的数据与早期的光学和紫外光谱测量这些离子中的一些是在很好的协议。我们发现太阳能的N和O的丰度，而Ne是过剩的1.7倍，Fe是不足的0.8倍。我们确认，有更少的灰尘在视线相比，基于吸收柱的预测。我们的光谱表明三价铁在尘埃中的作用比二价铁更突出。我们的高分辨率观测证实，蟹状星云可以作为一个X射线校准源。RGS光谱以前所未有的细节确定了蟹状星云的吸收光谱。
2009-02-06 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
The Mid-Infrared Instrument for the James Webb Space Telescope, VI: The Medium Resolution Spectrometer
我们描述了JWST-MIRI仪器的中分辨率光谱仪（MRS）的设计和性能。MRS在紧凑的光机布局中集成了四个同轴光谱通道，可在高达7.7 X 7.7弧秒的视场范围内生成光谱图像，光谱分辨率范围为1，300至3，700。每个通道包括一个全反射积分场单元（IFU）：一个“图像切片器”，重新格式化输入场，以呈现给光栅光谱仪。两个1024 X 1024焦平面阵列记录输出光谱图像，其瞬时光谱覆盖范围约为每个通道全波长范围的三分之一。整个5到28.5微米的光谱是通过使用光栅和通带确定过滤器进行三次曝光获得的，这些过滤器是使用两个三位置机构选择的。根据对中红外成像研究所飞行模型的测试，介绍了预期的在轨光学性能，包括光谱和空间覆盖范围及分辨率。重建图像的点扩散函数被证明是衍射限制和光传输被证明是符合设计预期。
2015-08-12 astro-ph.IM
Performance of Silicon immersed gratings: Measurement, analysis and modelling
浸没光栅的使用为空间和地面光谱仪提供了优势。由于衍射发生在高折射率介质内部，光程差和角色散成比例地增加，从而允许更小的光栅面积和更小的光谱仪尺寸。短波红外光谱学用于对地球大气中的温室气体和污染气体进行天基监测。在目前正在开发的超大型望远镜上，除其他外，中红外高分辨率摄谱仪将用于确定系外行星大气的特征。在红外波长下，硅是透明的。这意味着半导体工业中使用的生产方法可以应用于浸没式光栅的制造。使用这种方法，我们已经设计和建造了浸没光栅的空间和地面的仪器，例如TROPOMI仪器为欧洲航天局哨兵-5先驱任务，哨兵-5（ESA）和METIS（中红外E-ELT成像仪和光谱仪）仪器为欧洲极大望远镜。三个关键参数决定了这种光栅的性能：效率，散射光的水平和引起的波前误差。在本文中，我们描述了如何在设计和制造阶段优化这些参数。我们专注于用来衡量实现的实际性能和呈现结果的工具和方法。在本文中，面包板模型（BBM）浸没光栅开发的SWIR-1通道的哨兵-5用来说明这一过程。严格的要求，规定了这种光栅的三个性能标准。我们将证明--有一定的余量--性能要求已经全部满足。
2015-10-15 astro-ph.IM
Developing a New Generation of Integrated Micro-Spec Far Infrared Spectrometers for the EXperiment for Cryogenic Large-Aperture Intensity Mapping (EXCLAIM)
远红外天文学的现状推动了为未来的空间和地面仪器开发紧凑、灵敏的光谱仪的需求。在这里，我们提出了详细的$\rm μ$ -规格光谱仪目前正在开发的远红外气球任务EXCLAIM。光谱仪设计用于覆盖$\rm 555 - 714\ μ$ m范围，在$\rm 638\ μ$ m波段中心的分辨率为$\rm R\ =\ λ/ Δλ =\ 512$。光谱仪的设计采用罗兰光栅光谱仪实现在一个低损耗的单晶Si芯片上的平行板波导，采用Nb微带平面传输线和薄膜铝动力学电感探测器（KID）。EXCLAIM $\rm μ$ -Spec设计是在成功的$\rm R = 64\ μ$ -Spec原型基础上的一个进步，可以被认为是一个结合了光谱色散和检测的亚毫米超导光子集成电路（PIC）。该设计在单个$M{=}2$光栅阶中工作，允许一个光谱仪覆盖整个EXCLAIM波段，而不需要多阶焦平面。EXCLAIM仪器将飞行六个光谱仪，这些光谱仪是在一个150毫米直径的硅晶片上制造的。制造涉及倒装晶片键合工艺，其中在Si电介质的两侧上图案化超导层。谱仪设计工作温度为100 mK，将包括355个Al KID探测器，目标是NEP ${\sim}8\times10^{-19}$ $\rm W/\sqrt{Hz}$。我们总结了EXCLAIM的这些$\rm μ$ -Spec光谱仪的设计、制造和正在进行的开发。
2022-08-04 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.ins-det
Astrophotonic Spectrographs
天文光子学是光子技术的应用，用于引导，操纵和分散来自一个或多个望远镜的光，以有效和具有成本效益的方式实现天文学的科学目标。利用光子学在天文光谱学中的优势是一种很有前途的方法，可以使下一代大型望远镜的光谱仪小型化。它主要可以通过利用芯片或一组光纤上光子结构的二维性质来实现，从而将光谱仪器的尺寸减小到几厘米，重量减少到几百克。目前正在开发的各种各样的天文光子光谱仪，包括阵列波导光栅（AWG），光子阶梯光栅（PEG）和傅里叶变换光谱仪（FTS）。这些天文光子设备是灵活的，更便宜的大规模生产，更容易控制，更不容易受到振动和弯曲比传统的天文光谱仪。这些光谱仪的应用范围从天文学到生物医学分析。本文对这类新的天文摄谱仪作一简要的评述。
2019-05-30 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Experimental test of a 40 cm-long R=100 000 spectrometer for exoplanet characterisation
高分辨率光谱学是目前和未来天文仪器的关键要素。特别是，与高对比度成像仪和日冕仪相结合，高光谱分辨率能够实现更高的对比度，并已被确定为一个非常强大的组合来识别系外行星，从现在的巨型行星开始，到最终的类地行星。在这种情况下，我们提出了一个创新的阶梯光栅光谱仪的基础上使用VIPA（虚拟成像相控阵，白崎1996年）的实施。VIPA本身是一种特殊类型的法布里-珀罗干涉仪，用作具有比普通衍射光栅大得多的色散功率的角色散器。VIPA是一种高效的小型组件（3 cm x 2.4 cm），在多功能设计中充分利用了单模注入的优势。这里介绍的整个仪器是一个紧凑的，高分辨率（R > 80 000）光谱仪的概念验证，专用于H和K波段，在IPAG开发的高色散日冕项目的背景下。光具座的占地面积为40 cm x 26 cm ;它由两个单模光纤（SMF）馈电，一个专用于伴星，一个专用于恒星和/或校准通道，并冷却到80 K。本通讯首先介绍了该项目的科学和仪器背景，以及高分辨率光谱分析中单模操作的主要优点。在回顾了VIPA的物理结构及其在阶梯光谱仪设计中的实现之后，详细介绍了光谱仪的光学设计。总之，进一步的步骤（集成，校准，耦合与自适应光学）和可能的优化简要介绍。关键词：中阶梯光谱仪，高光谱分辨率，系外行星，高色散日冕照相术，红外，自适应光学，球
2018-12-21 astro-ph.IM
SOFIA - HIRMES: Looking forward to the HIgh-Resolution Mid-infrarEd Spectrometer
高分辨率中红外光谱仪（HIRMES）是平流层红外天文台（SOFIA）的第三代仪器，目前正在NASA戈达德太空飞行中心（GSFC）开发，并将于2019年投入使用。通过结合直接检测过渡边缘传感器（TES）测辐射热计阵列，光栅色散光谱学和法布里-珀罗可调谐滤波器的主机，HIRMES将提供高分辨率的能力，（R~ 100，000），中分辨率（R~ 10，000）和低分辨率（R~600）狭缝光谱法，以及25 - 122 μm中远红外波段的2D光谱成像（在选定波长下R~2000）。驱动科学应用是通过测量水蒸气，水冰，氘（HD）和中性氧线的原行星系统的演变。然而，HIRMES的设计尽可能灵活，以涵盖其相空间范围内的各种科学案例，同时达到SOFIA迄今为止尚未看到的灵敏度和观测能力，提供数十年来无与伦比的独特观测能力。
2018-11-27 astro-ph.IM
The Far-Infrared Enhanced Survey Spectrometer (FIRESS) for PRIMA: Approach and Estimated Performance
本研究提出PRIMA任务的FIRESS光谱仪架构，含4个R~100光栅模块与KIDs阵列，可启用傅里叶变换高分辨率模式，验证设计满足探测器要求并给出性能建模与观测项目开发指南。
2025-09-02 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.ins-det
