基于部分视场测量的空间望远镜背向散射光测试技术

《Optical Engineering》：Backscatter light testing technology for space-borne telescopes based on partial field of view measurement

　　

引力波观测台的空间望远镜对背向散射光抑制提出了前所未有的要求，通常低于 10?10 的入射激光功率。传统的基于分束器的测量系统面临分束器内部基底体散射造成的固有局限性，这会产生比探测要求高出几个数量级的噪声基底。尽管所需信号是重新进入干涉路径的同轴背向散射光，但分束器产生的压倒性寄生体散射掩盖了这一微弱信号，并阻止了直接同轴测量。为了克服这一障碍，我们提出了一种基于部分视场（PFOV）空间滤波的背向散射测量技术。该方法采用中心开孔反射镜来实现入射光和散射光路的物理分离，并测量离轴近轴视场内的背向散射光，作为无法访问的同轴中心视场分量的替代——这种替代是由探测器有限的接收视场所必需的，从而从根本上消除了基于分束器架构中固有的主要背景噪声源。在对四种具有不同散射特性的样品进行的对比测量中，该系统展示了超过 55 dB 的动态范围。用于替换空间望远镜中 M4 反射镜的高反射镜的背向散射光功率为 Pdet=4.28×10?11W，背向散射光水平处于 βPFOV=4.28×10?11 量级。考虑到 ±9.8% 的测量不确定度，其背向散射光水平保持在 (3.86～4.7)×10?11 量级的范围内，这证实了 PFOV 方法中使用的系统在所需的 10?10 水平上具有可靠的检测能力。研究结果表明，这种 PFOV 测量方案有效地突破了传统分束器结构的噪声限制。不同于受限于分束器自散射（～10?5）、无法隔离背向散射（腔衰减）或内部杂散光（BRDF 散射计）的传统方法，PFOV 方法实现了 >55dB 的动态范围，并在 10?11 水平实现了直接检测，为在地面上高精度表征空间引力波望远镜光学元件的背向散射光提供了一种可行且实用的技术方案。