基于超导片上滤波器组光谱仪的低噪声傅里叶变换光谱技术

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Low-noise Fourier Transform Spectroscopy Enabled by Superconducting On-Chip Filterbank Spectrometers

毫米波天文学中提出结合中分辨率傅里叶变换光谱仪与低分辨率片上滤波器光谱仪，通过后色散结构降低光子噪声，实现1000以上分辨率的大视场观测，并以詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜为例验证了CO功率谱的10-100信噪比在5-6小时观测中的可行性。

　　

摘要：

历史上用于毫米波和亚毫米波天文学中大视场映射光谱学的光谱架构存在显著缺点。片上滤波器阵列光谱仪在这方面是一项有前景的技术；然而，它们必须克服探测器数量成数量级的增加、由于介质特性导致的效率损失，以及严格的制造公差，这些因素目前限制了在大阵列上实现1000像素分辨率的扩展。我们提出将中分辨率傅里叶变换光谱仪与低分辨率滤波器阵列光谱仪的焦平面耦合，后者作为色散后处理元件。在这种配置中，傅里叶变换光谱仪提供中分辨率成像光谱，而低分辨率滤波器阵列光谱仪则可将典型宽带傅里叶变换光谱仪测量中的光子噪声降低一个数量级以上。同时，这种组合保留了两种架构的出色成像优势。我们展示了基于地面站和气球平台运行的滤波器阵列色散傅里叶变换光谱仪的预测映射速度。我们还以詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜为例，展示了这种仪器在R约1000线强度映射实验中的潜力。我们证明，滤波器阵列色散傅里叶变换光谱仪能够在10–100的信噪比下完成CO功率谱的测量，并且仅需10^5至10^6小时的光谱仪运行时间。