Implicit Electric Field Conjugation Through a Single-mode Fiber
本文提出基于单模光纤的隐式电场共轭波前控制方法，无需光学模型即可抑制恒星泄漏，并在高波前误差下较 EFC 性能提升约100倍。
2024-05-10 astro-ph.IM
Measuring Local Turbulence Along the Optical Path: Multi-beam Optical Seeing Sensor (MOSS)
本研究开发多光束光学视宁度传感器MOSS，通过频闪近平行光束直接测量望远镜圆顶内的光路湍流，可表征湍流尺度与相干性，原型在鲁宾天文台AuxTel测得湍流下限1.4角秒，可指导热与气流管理以优化成像质量。
2025-08-01 astro-ph.IM
Detecting and characterizing close-in exoplanets with Vortex Fiber Nulling
涡旋光纤零化（VFN）是一种干涉测量方法，用于抑制星光以探测和光谱表征系外行星。它依赖于涡旋相位掩模和单模光纤来拒绝星光，同时耦合高达20%的行星光在分离的$\lesssim1λ/D$，从而使大量的RV和过境检测行星的光谱特性，其中包括传统的日冕仪无法访问。VFN已经在实验室中在可见光波长下得到了证明，在这里我们介绍了这些实验的最新结果。这包括在以790 nm为中心的10%带宽光中$5\times10^{-4}$的多色零点。一个升级的测试平台已经设计好，现在正在实验室中构建;我们还在这里介绍了这项工作的状态更新。最后，我们提出了初步的K波段（2 $μ$ m）光纤调零结果与红外掩模，将在天空中使用的一部分，凯克行星成像仪和表征仪器在2021年的VFN模式。
2020-12-08 astro-ph.EP astro-ph.IM
Accurate estimate of the ESPRESSO fiber-injection losses inferred from integrated field-stabilization images
本文提出利用 ESPRESSO 积分视场稳定图像中的溢出光反演图像质量与光纤入射损耗，验证表明估计无偏且优于 DIMM 与导星探头。
2024-06-11 astro-ph.IM
The vortex fiber nulling mode of the Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC)
Keck Planet Imager and Characterizer（KPIC）是Keck II自适应光学系统的升级版，该系统包括一个有源光纤注入单元（FIU），用于有效地将来自系外行星的光路由到高分辨率光谱仪NIRSPEC。到2019年底，我们将增加一套新的日冕模式以及高阶变形镜。其中一种模式，在$K$波段（2. 2 $μm$）工作，将是第一个进入天空的涡流光纤零化器。涡旋纤维零化（VFN）是一种新的干涉方法，用于抑制星光，以便在传统日冕系统无法达到的角分离处光谱表征系外行星。$6\times10^{-5}$在635 nm激光中的单色星光抑制已经在实验室的VFN试验台上得到了证明。多色实验正在进行中，$<5\times10^{-4}$和$\sim5\%$的耦合效率已分别为恒星和行星在10%带宽的光。在这里，我们描述了这些实验，新的KPIC VFN模式，并使用实际的参数确定在KPIC调试期间完成的天空测试，这种模式的预期性能。
2019-09-08 astro-ph.EP astro-ph.IM
On-sky speckle nulling through a single-mode fiber with the Keck Planet Imager and Characterizer
本研究首次通过KPIC在星演示了通过单模光纤的散斑零化技术，利用NIRSPEC进行准实时波前控制，使目标光谱级中泄漏的星光减少约2.6至2.8倍，显著提升了科学观测的信噪比。
2023-07-25 astro-ph.IM
Modal noise in few-mode fibers
NIRPS（近红外-红色行星搜索器）是一种用于YJH波段高精度径向速度测量的声光辅助光纤光谱仪。NIRPS还具有作为SCAO辅助仪器的特异性，首次使用少模光纤。这种选择提供了一个很好的权衡，允许设计一个紧凑的低温摄谱仪，同时保持高耦合效率在恶劣的视宁度条件下和微弱的恒星。主要缺点在于更重要的模态噪声，这是允许1 m/s精度径向速度测量必须解决的问题。在本文中，我们提出了一个半经验的工作，允许验证加扰设备和策略，以减轻模态噪声的结果。它首先基于对最终纤维的一整套实验室测量。其次，这种测量被注入到摄谱仪设计中，以特别研究光栅和光学照明对导出的RV的影响。
2022-07-28 astro-ph.IM
Vortex fiber nulling for exoplanet observations. I. Experimental demonstration in monochromatic light
涡旋纤维零化是一种光谱学方法，用于表征与主恒星有小角度间隔（$\lesssimλ/D$）的系外行星。通过在系统点扩散函数中产生光学涡旋来抑制星光，该光学涡旋防止恒星场耦合到单模光纤的基模中。另一方面，来自行星的光耦合到光纤中，并被路由到光谱仪。使用原型涡旋光纤零器（VFN）设计的单色光，我们证明了耦合分数的$6\times10^{-5}$和$>0.1$的恒星和行星，分别。
2019-03-29 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.optics
Few-mode fibers and AO-assisted high resolution spectroscopy: coupling efficiency and modal noise mitigation
NIRPS（近红外-红色行星搜索器）是一种AO辅助和光纤馈电的光谱仪，用于高精度径向速度测量，将在YJH波段工作。虽然在这种仪器中使用AO系统通常被认为是馈送单模光纤，但NIRPS通过使用小型多模光纤（更具体地称为“少模光纤”）遵循不同的路径。这种选择提供了一个很好的权衡，允许设计一个紧凑的低温摄谱仪，同时保持高耦合效率在恶劣的视宁度条件下和微弱的恒星。主要缺点在于更重要的模态噪声，这是允许1 m/s精度径向速度测量必须解决的问题。我们研究了使用AO系统将光耦合到少模光纤中的影响。我们主要讨论两个方面：少模光纤的耦合效率和模式噪声和扰频问题。我们首先表明，NIRPS可以达到耦合>= 50%高达幅度I= 1 - 2，并提供1-2个幅度的增益超过单模解决方案。我们最后表明，最好的策略，以减轻模式噪声与AO系统是最简单的：连续的倾斜倾斜扫描的光纤芯。
2017-11-02 astro-ph.IM
Theoretical Analysis of Fiber Arrangements for Improved Coupling Efficiency in the VBT High-Resolution Echelle Spectrograph
针对望远镜光纤光谱仪因光纤与视宁度匹配、高分辨率狭缝窄导致的流量损失问题，通过理论模拟探索提升VBT高分辨率阶梯光栅光谱仪耦合效率的策略，在保障光谱分辨率的前提下提高流量捕获能力，助力天体观测研究。
2024-06-21 astro-ph.IM
Higher-precision radial velocity measurements with the SOPHIE spectrograph using octagonal-section fibers
高精度摄谱仪在使用径向速度技术搜索系外行星方面发挥着关键作用。但在1 m.s-1的精度水平上，考虑到观测条件的变化，如视宁度、导向和定心误差以及望远镜渐晕，光纤光谱仪性能的稳定性至关重要。在HARPS或SOPHIE等光纤光谱仪中，光纤链路置乱特性是主要问题之一。由于光谱仪的几何场和孔径像差，光谱仪入口处的光纤近场均匀性和中阶梯光栅（光瞳）上的远场照明的稳定性对于高精度径向速度测量是至关重要的。我们在1.93米OHP望远镜上对SOPHIE摄谱仪进行了测试，以测量仪器对光纤链路光馈送条件的灵敏度：恒星偏心，望远镜圆顶渐晕和散焦。为了显著提高当前的精度，我们设计了一个光纤链路的修改，考虑到光谱仪的操作约束。我们已经开发了一种新的链接，其中包括一块八角形截面的纤维，具有良好的扰码性能，躺在前圆形截面的纤维内，我们测试的概念在工作台上表征近场和远场扰码性能。2011年春季，在SOPHIE光谱仪光纤上实施了这一改进，并首次直接在天空中进行了测试，以证明与以前的光纤链路相比的增益。通过观测标准恒星，对系外行星的搜索和定性进行了科学验证。
2011-10-11 astro-ph.IM
Exploring calibration algorithms to maximize the null depth in KPIC's vortex fiber nulling mode
针对 KPIC 的 VFN 模式，本文研究利用低阶 Zernike 像差定标与变形镜补偿来最大化零深，并通过仿真和 Keck 平台测试验证了算法有效性。
2023-09-28 astro-ph.IM
Observing Exoplanets with High-Dispersion Coronagraphy. II. Demonstration of an Active Single-Mode Fiber Injection Unit
高色散日冕照相术（HDC）将高对比度成像技术（例如自适应光学/波前控制加上日冕照相术）与高光谱分辨率光谱学最佳地结合。HDC是全面表征从巨型气态行星到类地行星的广泛质量的系外行星大气的关键途径。除了确定系外行星大气的分子组成外，HDC还可以对大气的不均匀性（温度，云，风）进行多普勒测绘，以及精确测量系外行星的旋转速度。在这里，我们展示了一个创新的概念，将直接成像的行星光注入单模光纤，将高对比度自适应校正的日冕仪连接到高分辨率光谱仪（衍射限制或不限制）。我们的实验室演示包括三个关键的里程碑：接近理论的注入效率，准确的指向和跟踪，光纤相干调制和散斑归零的虚假星光信号耦合到光纤。使用单模光纤的极端模式选择性，我们还证明了散斑抑制增益，优于传统的基于图像的散斑归零至少两个数量级。
2017-03-02 astro-ph.EP astro-ph.IM
Design of the iLocater Acquisition Camera Demonstration System
现有的行星探测光谱仪受到系统误差的限制，这些系统误差是由其视宁度有限的设计造成的。特别值得关注的是多模光纤（MMF）的使用，它会引入模态噪声并接受大量来自天空的背景辐射。我们提出了一种基于单模光纤的采集相机的衍射极限光谱仪命名为“iLocater的设计。“通过使用大型双目望远镜（LBT）的“极端”自适应光学（AO）系统，iLocater将克服阻碍多普勒仪器充分发挥潜力的限制，允许对附近明亮恒星周围的类地行星进行精确的径向速度（RV）测量。本文中介绍的仪器，我们称之为采集相机“演示系统”，将在2015年秋季使用LBT的8.4米原色之一测量天空单模光纤（SMF）耦合效率。
2015-09-17 astro-ph.IM
Compact high-resolution spectrographs for large and extremely large telescopes: using the diffraction limit
随着望远镜越来越大，对于给定分辨率的视限摄谱仪的尺寸也变得越来越大，对于ELT来说，尺寸将如此之大，以至于简单设计的高分辨率仪器将不可行。解决方案包括自适应光学（但不提供短波长的完全校正）或图像切片器（提供可行但仍然很大的仪器）。在这里，我们开发的解决方案提出的布兰德-山楂和霍顿：使用衍射限制光谱仪是紧凑的，即使高分辨率。它们的使用是由光子灯笼，它分裂成多个单模光纤多模光纤。我们描述了这种光谱仪的初步设计，分辨率为R ~ 50，000。虽然它们很小并且使用相对简单的光学器件，但挑战在于容纳尽可能长的光纤狭缝（因此在一个光谱仪中最大数量的单模光纤），并以比大多数光谱仪准直器快得多的焦比接受来自每根光纤的光束，同时保持衍射限制的成像质量。尽管存在这些挑战，但仍有可能获得出色的性能。我们还简要地考虑了所需的光谱仪的数量，这可以通过全部或部分自适应光学校正和/或向更长波长移动来减少。
2012-08-23 astro-ph.IM
Performance estimation of photonic integrated wavefront corrector for single-mode fiber coupling
提出基于SOI光子学的集成波前校正器，通过MLA采样和热光相移器校正波前以实现单模光纤耦合，并分析了光瞳遮挡、倾斜预校正及闪烁等外部因素对其性能的影响。
2024-08-22 astro-ph.IM physics.optics
'Modal-noise' in single-mode fibers: A cautionary note for high precision radial velocity instruments
随着大口径望远镜上衍射受限自适应光学系统的出现，探索单模光纤（SMF）在高精度多普勒光谱仪中的应用变得越来越有吸引力。使用这些光纤的光谱仪可以做得比典型的“可见度有限”仪器小得多，大大降低了成本和整体复杂性。重要的是，当使用SMF时，与多模光纤相关联的经典模式干涉和散斑问题（也称为“模式噪声”）被减轻，这也提供了完美的径向和方位角图像置乱。然而，这些光纤确实支持多个偏振模式，对于大芯光纤，考虑到大量的传播模式，这一问题通常被忽略。由于大多数高分辨率天文仪器中使用的衍射光栅具有对入射偏振变化敏感的色散特性，光纤中的任何双折射变化都可能导致效率分布的变化，从而降低照明稳定性。在这里，我们提出了一个警示说明，概述了SMF的偏振特性如何影响高分辨率摄谱仪的径向速度测量精度。这项工作与目前正在设计和建造的衍射极限、极高精度RV光谱仪的快速扩展领域密切相关。
2015-11-13 astro-ph.EP astro-ph.IM
On-sky single-mode fiber coupling measurements at the Large Binocular Telescope
高效单模光纤（SMF）耦合的演示是开发紧凑型超精密径向速度（RV）光谱仪的关键要求。iLocater是用于大型双目望远镜（LBT）的下一代仪器，其使用自适应光学（AO）将星光注入SMF。在准备调试iLocater时，在LBT安装了一个原型SMF注入系统，并在Y波段（0.970-1.065 $μ$ m）进行了测试。该系统设计用于验证LBT AO系统的能力以及表征天空SMF耦合效率。SMF耦合是用大型双筒望远镜干涉仪在具有可变大气质量、视星等和视宁度条件的恒星上测量的，测量时间为六个半夜晚。我们提出的SMF注入系统的整体光学和机械性能，包括安装和对准程序的细节。一个特别强调的是放在分析仪器的性能作为一个功能的望远镜海拔通知iLocater的光纤注入系统的最终设计。
2016-09-14 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Efficient spectroscopy of exoplanets at small angular separations with vortex fiber nulling
为表征可能适合居住的行星而设计的仪器可以结合自适应光学和高分辨率光谱技术，以实现对生命光谱迹象的最高可能灵敏度。探测来自含有生物标志物的行星的微弱信号将需要精确控制光学波前，以最大化行星信号并显著减少不必要的星光。我们提出了一种光学技术，被称为涡旋光纤调零（VFN），允许多色光从微弱的行星在非常小的距离从他们的主恒星（$\lesssimλ/D$）被有效地路由到衍射限制摄谱仪通过单模光纤，而从恒星的光被阻止进入摄谱仪。VFN利用单模光纤的空间选择性，将光线与恒星周围小视场内的近距离同伴隔离开来。我们提供的概念设计的理论性能预测，并表明，VFN可以用来表征行星的径向速度（RV）仪器在红外线检测到的不知道他们的轨道的方位角取向。使用光谱模板匹配技术，我们计算的积分时间为$\sim$ 400，$\sim$ 100，和$\sim$ 30小时罗斯128 b与凯克，三十米望远镜（TMT），和大型紫外/光学/红外（LUVOIR）勘测，分别。
2018-10-29 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.optics
Demonstrating the integration of a photonic lantern with an all-fiber-based nulling interferometer
Univ. of California, Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校）；Univ. of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；NASA Ames Research Center（NASA艾姆斯研究中心）；NASA Glenn Research Center（NASA格伦研究中心）；Univ. of Central Florida（中佛罗里达大学）
研究太阳系尺度系外行星和原行星高对比度成像所需仪器，利用光子灯笼的多模到单模转换能力，展示全光纤焦平面零值干涉仪实验室结果，证明其与干涉仪集成的潜力及探测吸积原行星的扩展概念。
2026-07-28 astro-ph.IM physics.optics
Final Design and On-Sky Testing of the iLocater SX Acquisition Camera: Broadband Single-Mode Fiber Coupling
使光能够有效地注入单模光纤（SMF）是在地面望远镜上实现衍射限制天文光谱学的关键要求。自适应光学（AO）的使用使得SMF馈电的摄谱仪具有明显优于可比较的视见受限设计的优势，包括在紧凑和稳定的仪器体积内具有更高的光谱分辨率，以及独立于望远镜的摄谱仪设计。iLocater是一个非常精确的径向速度（EPRV）摄谱仪，正在为大型双目望远镜（LBT）建造。我们为LBT的SX（左）主镜设计并构建了前端光纤注入系统或采集相机。该仪器于2019年安装，并进行了天空调试和性能评估。在本文中，我们提出了仪器的要求，采集相机的设计，以及从第一光测量的结果。宽带单模光纤耦合超过35%（绝对）在近红外（0.97-1.31μm）的目标幅度，光谱类型和观测条件的范围内实现。天空性能的成功演示是iLocater开发和使高效的地面SMF馈电天文仪器成为现实的一个重要里程碑。
2020-10-26 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Single mode, extreme precision Doppler spectrographs
如今，系外行星研究的“圣杯”是探测类地行星：一颗位于主序星周围宜居带的岩石行星。非常精确的多普勒光谱是发现和表征类地行星的不可或缺的工具;然而，要在太阳型恒星周围找到这些行星，我们需要比目前最好的光谱仪提供的径向速度（RV）精度高出近一个数量级。天体光子学（Bland-Hawthorn & Horton 2006，Bland-Hawthorn et al. 2010）和自适应光学（AO）的最新发展使单模光纤（SMF）馈电的高分辨率光谱仪成为可能，这可以实现精度的下一步。与多模光纤或狭缝耦合摄谱仪相比，SMF馈源具有固有的优势：光纤出口处的强度分布非常稳定，因此，精心设计的摄谱仪的线扩散函数与输入耦合条件完全解耦，如引导或看到变化（Ihle等人，2010）。模态噪声是当前多模光纤馈电仪器中的一个限制因素（Baudrand & Walker 2001），可以通过适当的设计来消除，并且光谱仪的衍射限制输入允许非常紧凑的仪器设计，这提供了优异的光学机械稳定性。SMF是新型、非常精确的波长校准器的理想接口，如激光频率梳（Steinmetz等人，2008年; Osterman等人，2012年）或基于SMF的法布里-珀罗标准具（Halverson等人，2012年）。在近红外波长，这些技术已经准备好在天空仪器中实施，或者已经在使用中。我们讨论了一个新的概念，这样的摄谱仪。
2012-12-19 astro-ph.EP astro-ph.IM
The need for single-mode fiber-fed spectrographs
精确的多普勒径向速度（RV）仪器将继续在推进我们对系外行星系统的全面理解方面发挥重要作用。从过境调查和后续RV测量的轨道参数的组合是至关重要的解锁质量和密度估计检测到的行星，让我们深入了解他们的环境和结构。然而，系外行星领域正处于一个关键时刻：现有径向速度仪器的测量灵敏度正在成为进一步增加我们知识的限制因素。如果不提高RV测量精度，我们将无法为新的凌日任务（包括凌日系外行星勘测卫星（TESS））预期的一些最令人兴奋（因此也是最具挑战性）的发现提供动态质量和密度估计（Plavchan et al. 2015，Ricker et al. 2014）。RV的精度需要达到10厘米/秒的水平，以充分确认类似地球的类似物，提供质量并测量这些任务的密度到1-5%的水平。此外，这种RV能力对于詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）等设施的有效目标选择也很重要。实现这一目标的一个有希望的方法是使用单模光纤将光注入光谱仪。这减轻了当前一代视见受限RV仪器面临的许多误差项，同时在较小的光学足迹内提供了高分辨率光谱的能力（Schwab等人，2012年; Crepp 2014年; Jovanovic等人，2016年a）。我们讨论了这种技术的好处，它的挑战，以及目前的发展状况。
2019-01-25 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
iLocater: A Diffraction-limited Doppler Spectrometer for the Large Binocular Telescope
我们正在为大型双筒望远镜（LBT）开发一台稳定而精确的光谱仪，名为“iLocater”。该仪器包括三个主要部件：一个在YJ波段（0.97-1.30微米）工作的交叉色散中阶梯光栅光谱仪，一个光纤注入采集相机系统和一个波长校准单元。iLocater将提供高光谱分辨率（R~ 150，000 - 240，000）的测量，从而能够对太阳附近的恒星和亚恒星物体，包括太阳系外行星进行新的研究。与以前的行星探测仪器不同，iLocater在衍射极限下工作，并使用单模光纤完全消除模式噪声的影响。通过接收来自两个8.4米直径望远镜的星光，每个望远镜都使用“极端”自适应光学（AO），iLocater显示出克服现有仪器无法产生亚米每秒径向速度（RV）精度的局限性的希望。虽然使用多普勒技术对低质量行星的特征进行了优化，但iLocater还将推进涉及拥挤场、线覆盖和弱吸收线的研究领域。
2016-09-14 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Spectroscopy using a visible photonic lantern at the Subaru telescope: Laboratory characterization and first on-sky demonstration on Ikiiki (α Leo) and `Aua (α Ori)
本研究首次在Subaru望远镜利用SCExAO和FIRST光谱仪对可见光光子灯笼进行在轨测试，证明其在大气扰动下对紧凑天体的耦合效率与光谱重建能力优于单模光纤。
2024-11-14 astro-ph.IM
PEPSI: The high-resolution echelle spectrograph and polarimeter for the Large Binocular Telescope
PEPSI是用于2x8.4 m大型双筒望远镜（LBT）的台式双臂光纤馈电稳定波茨坦Echelle偏振和光谱仪器。三种光谱分辨率（43 000、120 000或270 000）可以在三次曝光中覆盖从383到907 nm的整个光学/红色波长范围。两个10.3kx10.3kCCD（像素为9 μm，峰值量子效率为96%）共记录了92阶中阶梯光栅。我们介绍了一种新的变体的波导图像切片器与3，5，和7切片和峰值效率之间的96%。共有六个交叉色散器覆盖摄谱仪的六个波长设置，其中两个总是同时进行。这些是由一个VPH光栅夹在两个棱镜。包括望远镜在内的系统在650 nm处的峰值效率为15%，在390 nm和900 nm处的峰值效率分别为11%和10%。结合LBT的110 m2光收集能力，我们预计在低分辨率模式下的极限星等为20等V。R=120 000模式也可以与两个双光束斯托克斯IQUV偏振计一起使用。270 000模式是通过7层图像切片器和100 μm光纤通过0.74”的投影天空孔径实现的，与LBT站点的中值视宁度相当。每个分辨率元素12像素采样的43000模式是我们的视觉差或模糊对象模式。三种分辨率模式中的任何一种都可以与天空光纤一起使用，以实现同时的天空曝光，或者与来自稳定的法布里-珀罗标准具的光一起使用，以实现超精确的径向速度。CCD-图像处理使用专用数据简化和分析包PEPSI-S4 S进行。…
2015-05-24 astro-ph.IM astro-ph.SR
High-resolution Infrared Spectrograph for Exoplanet Characterization with the Keck and Thirty Meter Telescopes
HISPEC（High-resolution Infrared Spectrograph for Exoplanet Characterization）是一种用于外行星表征的衍射极限摄谱仪。凯克天文台，并在30米望远镜上为MODHIS设施项目（多目标衍射限制高分辨率红外光谱仪）探路。HISPEC/MODHIS建立在衍射限制摄谱仪设计的基础上，该设计依赖于自适应校正的单模光纤馈电。由于光束集光率守恒，视见受限的高分辨率摄谱仪的体积增长遵循D^3幂律（D是望远镜的直径），并且受到与其大尺寸相关的艰巨挑战。由单模光纤馈电的衍射限制光谱仪与望远镜输入解耦，并且是更紧凑的数量级，并且具有固有稳定的线扩展函数。它们的效率与自适应光学（AO）系统的性能成正比。AO技术在过去二十年中迅速成熟，并为未来的超大型望远镜奠定了基础。HISPEC/MODHIS将在衍射极限（~10-50质量）下采样的10”视场中的几个物体的R> 100，000光谱，同时从0.95到2.4微米（y-K）。科学范围包括系外行星红外线精确径向速度、凌日光谱学、近地和直接成像系外行星（大气成分和动力学、RM效应、自旋测量、多普勒成像）、褐矮星表征、恒星物理/化学、原行星盘运动学/组成、太阳系、河外科学和宇宙学。HISPEC/MODHIS具有紧凑，具有成本效益的设计，经过优化，可充分利用现有的TMT-AO和未来的TMT-NFIRAO…
2019-08-09 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.GA
