液晶調(diào)制技術(shù)在太陽(yáng)磁場(chǎng)探測(cè)中的應(yīng)用及展望

侯俊峰，鄧元勇，王東光，林佳本，張 洋，孫文君，張志勇，孫英姿

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

0 引言

對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)的觀測(cè)研究在當(dāng)代太陽(yáng)物理學(xué)和空間天氣學(xué)中占有舉足輕重的位置。自1908年Hale 首次開始太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量以來(lái)[1]，過去100年間人類對(duì)太陽(yáng)和天體磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)從無(wú)到有、從淺到深，取得了巨大的進(jìn)展。目前成熟的太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量方法主要是基于Zeeman 效應(yīng)開展的[1]。太陽(yáng)物理學(xué)家們可通過太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡測(cè)量夫瑯禾費(fèi)磁敏譜線的偏振光Stokes參量在經(jīng)過Zeeman 效應(yīng)后的變化，再利用太陽(yáng)大氣的輻射轉(zhuǎn)移模型，反演獲得太陽(yáng)磁場(chǎng)的信息[2]。因此，太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的磁場(chǎng)測(cè)量本質(zhì)上是（窄帶）偏振測(cè)量，即偏振和濾光系統(tǒng)是太陽(yáng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量的核心系統(tǒng)——偏振系統(tǒng)用于偏振測(cè)量，偏振靈敏度一般要求達(dá)到10-3Ic（Ic為太陽(yáng)連續(xù)譜強(qiáng)度）及以下；濾光系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)窄帶濾光，儀器透過半峰全寬（FWHM）通常要求達(dá)到0.01 nm量級(jí)?？焖倨裾{(diào)制和超窄帶調(diào)諧濾光是確保太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)高靈敏度精確磁場(chǎng)探測(cè)的關(guān)鍵，二者缺一不可。

液晶調(diào)制[3]是近20年來(lái)逐漸發(fā)展成熟的一種偏振調(diào)制技術(shù)，對(duì)于成像型磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備（磁像儀），偏振和濾光系統(tǒng)合稱為窄帶偏振成像系統(tǒng)，而液晶調(diào)制是目前唯一可同時(shí)滿足快速偏振調(diào)制和窄帶可調(diào)諧濾光的電光調(diào)制技術(shù)。液晶調(diào)制器具有口徑大、光譜范圍寬、調(diào)制速度快、無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及相位延遲連續(xù)可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，使其成為下一代太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)的強(qiáng)有力增長(zhǎng)點(diǎn)。本文從液晶科學(xué)的發(fā)展歷史出發(fā)，詳述液晶調(diào)制技術(shù)在太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的2個(gè)核心部件——偏振分析器和窄帶可調(diào)諧濾光器中的研究進(jìn)展，探討將液晶調(diào)制技術(shù)真正應(yīng)用到太陽(yáng)磁場(chǎng)常規(guī)觀測(cè)中的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

1 液晶科學(xué)的發(fā)展歷史及液晶調(diào)制器基本工作原理

1888年，奧地利植物學(xué)家弗里德里希?萊尼澤（Friendrich Reinitzer，1857—1927）在研究膽固醇苯甲酸酯時(shí)發(fā)現(xiàn)：其被加熱至145.5℃時(shí)會(huì)由固體變成白濁稠狀的液體；繼續(xù)加熱到178.5℃時(shí)，白濁的液體又會(huì)變成透明的液體。也就是說(shuō)，膽固醇苯甲酸酯有2個(gè)熔點(diǎn)。他還發(fā)現(xiàn)，處于2個(gè)熔點(diǎn)間的膽固醇苯甲酸酯對(duì)光束具有雙折射性——當(dāng)光束照射到這個(gè)狀態(tài)的膽固醇苯甲酸酯上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生2條折射光線。萊尼澤不知如何解釋該現(xiàn)象，于是聯(lián)系德國(guó)物理學(xué)家奧托?雷曼（Otto Lehmann，1855—1922）做進(jìn)一步的討論。雷曼使用偏光顯微鏡經(jīng)過深入細(xì)致的研究，證實(shí)了2個(gè)熔點(diǎn)間的中間相態(tài)兼有液體的流動(dòng)性和晶體的光學(xué)各向異性，故命名該相態(tài)為“液晶相”，“液晶”（liquid crystal）一詞由此而來(lái)。1920—1960年之間，連續(xù)體彈性形變理論和Maier-Saupe平均場(chǎng)理論的提出和完善，奠定了液晶科學(xué)的基礎(chǔ)理論；20世紀(jì)60年代開始，液晶在顯示方面的應(yīng)用使得液晶技術(shù)獲得迅速發(fā)展。目前，液晶調(diào)制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于液晶顯示、遙感、天文、激光及軍事等諸多領(lǐng)域[3-8]。

在太陽(yáng)物理乃至天文研究領(lǐng)域，常用的液晶調(diào)制器件主要有向列液晶可變延遲器（nematic liquid crystal variable retarder,LCVR）和鐵電液晶調(diào)制器（ferroelectric liquid crystal modulator,FLC）。這2種液晶調(diào)制器組成基本相同[3]，如圖1 所示。液晶調(diào)制器的基底通常是由各向同性且均勻的熔石英材料制成。基底的外表面鍍?cè)鐾改ひ詼p小表面反射損失，內(nèi)表面鍍ITO導(dǎo)電膜用于電壓調(diào)制。在ITO導(dǎo)電膜上涂有一層經(jīng)摩擦形成極細(xì)溝紋的取向膜，由于液晶分子具有液體的流動(dòng)特性，取向膜有利于促進(jìn)液晶長(zhǎng)軸沿與基底表面平行方向取向。液晶調(diào)制器的上、下基底嚴(yán)格平行，間距約2～10μm（通過噴灑Spacer 精確控制間距），中間注入液晶材料并封裝。在2個(gè)基底內(nèi)表面的ITO導(dǎo)電膜之間加驅(qū)動(dòng)電壓，可實(shí)現(xiàn)液晶調(diào)制。

圖1 液晶調(diào)制器組成Fig.1 Structure of liquid crystal modulator

1.1 向列液晶可變延遲器（LCVR）

向列液晶可變延遲器采用向列相液晶（nematic liquid crystals）材料。向列相液晶由長(zhǎng)徑比很大的棒狀分子組成，分子質(zhì)心無(wú)長(zhǎng)程有序性；具有類似于普通液體的流動(dòng)性，分子不排列成層，能上下、左右、前后滑動(dòng)，只在分子長(zhǎng)軸方向上保持相互平行或近于平行；分子間短程相互作用微弱，屬于范德瓦爾斯引力。這種分子長(zhǎng)軸彼此相互平行的自發(fā)取向過程使液晶具有顯著的雙折射性，而液晶分子的長(zhǎng)軸方向決定LCVR 光軸的方向。因此，當(dāng)ITO導(dǎo)電膜之間的驅(qū)動(dòng)電壓V=0時(shí)，液晶分子沿著長(zhǎng)軸（光軸）平行排列，并且平行于基底表面，此時(shí)，xy平面內(nèi)的雙折射率最大，LCVR 獲得最大的相位延遲量；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V≠0時(shí)，液晶分子的長(zhǎng)軸向z方向傾斜，此時(shí)xy平面內(nèi)的雙折射率隨著z方向的電壓增大而逐漸變小，LCVR 的有效相位延遲量也隨之減小?？梢姡琇CVR 的相位延遲可以通過改變驅(qū)動(dòng)電壓而實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。由于液晶分子一般對(duì)外界電壓極為敏感，LCVR 的驅(qū)動(dòng)電壓僅需幾V 到十幾V即可。另外，向列相液晶對(duì)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)的方向不敏感，為了保證LCVR 的穩(wěn)定性和防止其被擊穿，通常采用1～2 kHz 的交流方波電壓驅(qū)動(dòng)。即在LCVR 上施加2 kHz 的±5 V 電壓，液晶的電光調(diào)制效果相當(dāng)于1個(gè)5 V 的直流電壓。LCVR 的響應(yīng)時(shí)間一般在10～100 ms。

1.2 鐵電液晶調(diào)制器（FLC）

鐵電液晶調(diào)制器采用手性近晶C 相液晶。近晶C相液晶由棒狀或條狀分子組成，分子排列成層，層內(nèi)分子長(zhǎng)軸相互平行，方向傾斜于層面。因?yàn)榉肿优帕姓R，近晶C相液晶的規(guī)整性更接近晶體，但分子質(zhì)心位置在層內(nèi)無(wú)序，可以自由平移，從而有流動(dòng)性，但黏度很大。近晶C相液晶的分子可以前后、左右滑動(dòng)，不能在上下層之間移動(dòng)。當(dāng)液晶分子結(jié)構(gòu)含不對(duì)稱的手性基團(tuán)時(shí)，能形成扭曲的螺旋結(jié)構(gòu)，具有膽甾相的光學(xué)性質(zhì)，稱為手性近晶C相。這類液晶分子結(jié)構(gòu)的特征是，在同一層中分子相互平行，各層分子與本層法線傾角保持不變，但所有分子在層面上的投影呈螺旋狀排列。鐵電液晶調(diào)制器的液晶厚度小于液晶螺距；手性近晶C 相層與基底垂直，螺旋軸與基底平行。鐵電液晶調(diào)制器只有±θ這2個(gè)狀態(tài)，當(dāng)ITO導(dǎo)電膜之間加正向電場(chǎng)時(shí)，液晶分子長(zhǎng)軸繞著z軸旋轉(zhuǎn)-θ；當(dāng)ITO導(dǎo)電膜之間加負(fù)向電場(chǎng)時(shí)，液晶分子長(zhǎng)軸繞著z軸旋轉(zhuǎn)+θ。由于，在電場(chǎng)變化下FLC光軸僅在±θ這2個(gè)狀態(tài)之間變化，而且理論上θ≤45°，所以，F(xiàn)LC可實(shí)現(xiàn)光軸的快速調(diào)制，而相位延遲保持不變。該特性正好與LCVR 相反。此外，由于FLC對(duì)電場(chǎng)方向敏感，故與LCVR 不同，F(xiàn)LC是真正的交流調(diào)制，響應(yīng)時(shí)間可以短至1 ms。

2 液晶調(diào)制技術(shù)在太陽(yáng)磁場(chǎng)探測(cè)中的應(yīng)用

2.1 太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量

圖2是太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的白光像、單色像和磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)框圖?？梢钥吹剑和h(yuǎn)鏡和探測(cè)器組合可以獲得太陽(yáng)的白光像；在望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器之間加入窄帶濾光系統(tǒng)，可獲得太陽(yáng)的單色像；在望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器之間同時(shí)加入偏振系統(tǒng)和窄帶濾光系統(tǒng)，則可獲得太陽(yáng)的單色偏振像，然后通過反演可以得到太陽(yáng)磁場(chǎng)信息。本文主要針對(duì)液晶調(diào)制技術(shù)在窄帶偏振成像系統(tǒng)中的應(yīng)用展開，具體來(lái)說(shuō)，是研究LCVR和FLC這2種液晶調(diào)制器在窄帶偏振成像系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。窄帶偏振成像系統(tǒng)主要包括偏振分析器和窄帶可調(diào)諧濾光器2部分。

圖2 太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Block diagram of solar magnetic field measurement system

2.2 偏振分析器

探測(cè)器僅對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)度敏感，故偏振測(cè)量實(shí)際上是偏振調(diào)制/解調(diào)的過程，即將來(lái)自太陽(yáng)的偏振信號(hào)調(diào)制到光強(qiáng)分量，然后被探測(cè)器采集，最后再通過后期解調(diào)得到真實(shí)的太陽(yáng)偏振信息，進(jìn)而反演計(jì)算太陽(yáng)磁場(chǎng)信息。偏振分析器是太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制的核心組件，通常由偏振調(diào)制器和檢偏器組成——偏振調(diào)制器用于實(shí)現(xiàn)Stokes偏振信號(hào)Q、U、V 之間的相互調(diào)制；檢偏器用于將偏振參數(shù)Q、U、V 調(diào)制到光強(qiáng)I分量，兩者組合實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制。

太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡常用的偏振調(diào)制包括光彈調(diào)制、機(jī)械旋轉(zhuǎn)調(diào)制、KD*P晶體調(diào)制和液晶調(diào)制4種方式。光彈調(diào)制由于調(diào)制速度太快（幾十kHz），導(dǎo)致現(xiàn)有的探測(cè)器件無(wú)法同步響應(yīng)，目前為止僅有ZIMPLE[9-10]采用該方法，須配備特殊模式的CCD，無(wú)法廣泛應(yīng)用。機(jī)械旋轉(zhuǎn)調(diào)制通過旋轉(zhuǎn)127°波片來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振信號(hào)的調(diào)制，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、口徑大、波長(zhǎng)覆蓋廣（紫外—中紅外）、可移植性強(qiáng)，缺點(diǎn)是調(diào)制速度完全依賴于空心電機(jī)轉(zhuǎn)速導(dǎo)致調(diào)制速度較慢、信號(hào)同步困難、存在光束擺動(dòng)等，目前運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡中，GST、NVST、DKIST、HINODE 采用該方式[11-14]。KD*P晶體調(diào)制由于其調(diào)制速度快（幾十Hz～kHz）、光學(xué)質(zhì)量好，自20世紀(jì)80年代開始被廣泛使用，但其容易潮解、交流高壓調(diào)制難度大、導(dǎo)電膜易發(fā)黑，且該方式對(duì)晶體質(zhì)量和裝配要求極高，目前只有SMFT、SMAT 等望遠(yuǎn)鏡使用[15-16]。液晶調(diào)制是隨著液晶顯示發(fā)展起來(lái)的新興偏振調(diào)制技術(shù)，1992年美國(guó)國(guó)家太陽(yáng)天文臺(tái)的L.J. November和L.M.Wilkins率先設(shè)計(jì)了液晶偏振分析器，并在NSO/SPVacuum Tower Telescope 上進(jìn)行了初步測(cè)試[17]；之后液晶調(diào)制器所具有的口徑大、光譜范圍寬（0.4～5 μm）、調(diào)制速度快、驅(qū)動(dòng)電壓低（0～10 V）、無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及相位延遲連續(xù)可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，使其逐漸被廣泛應(yīng)用于VTT、THEMIS、SST、GREGOR、K-Cor、FASOT、Solar Orbiter、SUNRISE、ASO-S等地基和空基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡[18-25]。

液晶偏振分析器根據(jù)其調(diào)制器件和調(diào)制方式的不同分為L(zhǎng)CVR 型和FLC 型。

2.2.1 LCVR 型偏振分析器

基于LCVR 相位調(diào)制的偏振分析器稱為L(zhǎng)CVR型偏振分析器。如圖3所示，LCVR 型偏振分析器通常由2個(gè)LCVR 和1個(gè)偏振片或偏振分光棱鏡組成，LCVR1 的光軸與偏振片的透光方向一致，LCVR2的光軸相對(duì)于LCVR1旋轉(zhuǎn)45°，通過調(diào)節(jié)2 個(gè)LCVR 的電壓可實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振光的狀態(tài)調(diào)制。

圖3 LCVR 型偏振分析器Fig.3 LCVR-based Stokes polarimeter

雖然LCVR 的響應(yīng)速度比FLC稍慢，但其工藝較簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性更好，尤其實(shí)踐證明可用于空間望遠(yuǎn)鏡，使得LCVR 型偏振分析器得到更加系統(tǒng)的研究和更廣泛的應(yīng)用。自2005年以來(lái)，西班牙國(guó)家太空科技研究所（INTA）的A. Alvarez-Herrero等以SUNRISE、Solar Orbiter 太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡需求為基礎(chǔ)，針對(duì)LCVR 型偏振分析器做了大量系統(tǒng)深入的研究，進(jìn)行了LCVR 的空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，分析了LCVR 在質(zhì)子輻照、伽馬輻照、紫外輻照、熱循環(huán)、熱真空及力學(xué)等環(huán)境試驗(yàn)前后的光學(xué)性能差異，明確了LCVR 可滿足空間太陽(yáng)衛(wèi)星的應(yīng)用需求；針對(duì)LCVR 在白光K 冕儀中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了寬視場(chǎng)LCVR 型偏振分析器，并應(yīng)用于Solar Orbiter/METIS日冕儀；提出了一種基于偏振效率最優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電壓精確調(diào)節(jié)方法，并應(yīng)用于Solar Orbiter/PHI太陽(yáng)磁像儀，顯著提高了PHI的信噪比[26-28]。

相比于國(guó)外，2002年國(guó)家天文臺(tái)懷柔觀測(cè)基地的張志勇等已經(jīng)開始LCVR 型偏振分析器的研究，并于2007年成功研制出第1臺(tái)近紅外波長(zhǎng)1083 nm的LCVR 型偏振分析器；之后由于種種原因，LCVR的研究一度中斷，直至2017 年我國(guó)第1個(gè)空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡ASO-S的立項(xiàng)才得以繼續(xù)。全日面矢量磁像儀FMG 是ASO-S衛(wèi)星的主載荷之一，將以高時(shí)間分辨率、高空間分辨率和高偏振靈敏度開展全日面太陽(yáng)矢量磁場(chǎng)測(cè)量，采用了LCVR 調(diào)制。ASO-S項(xiàng)目初始，F(xiàn)MG計(jì)劃直接購(gòu)買INTA 的LCVR，但國(guó)際采購(gòu)計(jì)劃屢屢受挫；最終，F(xiàn)MG 項(xiàng)目組決定與中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所合作研制LCVR 型偏振分析器。彼時(shí)，該所已經(jīng)有10多年的LCVR 生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，但產(chǎn)品指標(biāo)尚未達(dá)到FMG 的指標(biāo)需求。自2018年年初至2020年年底的3年時(shí)間里，F(xiàn)MG 項(xiàng)目組的侯俊峰等從LCVR 的材料選擇、生產(chǎn)工藝直至LCVR 型偏振分析器的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和優(yōu)化等各個(gè)環(huán)節(jié)開展系統(tǒng)深入的研究，將LCVR 型偏振分析器從實(shí)驗(yàn)室真正遷移到了太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡工程應(yīng)用中。他們根據(jù)ASO-S太陽(yáng)科學(xué)衛(wèi)星的環(huán)境輻射要求，對(duì)LCVR 的空間輻射環(huán)境，包括質(zhì)子輻照、伽馬輻照和紫外輻照的適應(yīng)性進(jìn)行系統(tǒng)研究，并發(fā)現(xiàn)：向列液晶調(diào)制器加驅(qū)動(dòng)電壓后，質(zhì)子輻照產(chǎn)生的相位延遲漂移遠(yuǎn)大于不加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)；向列液晶離子濃度越高，受伽馬輻照影響越小。該發(fā)現(xiàn)為向列液晶材料的選擇和空間輻射防護(hù)提供了新方向。

LCVR 是電光調(diào)制器件，可通過改變驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)改變液晶的等效折射率，從而實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制。然而，向列液晶波片的多光束干涉效應(yīng)及等效折射率變化綜合作用，導(dǎo)致其透過率隨驅(qū)動(dòng)電壓振蕩，使得向列液晶偏振分析器產(chǎn)生2%～4%的偏振本底，降低了偏振測(cè)量靈敏度。侯俊峰等通過在向列液晶調(diào)制器中增加匹配膜將其透過率振蕩降低到原來(lái)的1/3，而且匹配膜的使用隔絕了液晶中電子、離子向電極兩端的運(yùn)動(dòng)，極大提高了液晶調(diào)制的穩(wěn)定性。此外，他們提出了一套液晶偏振分析器的精確裝調(diào)方法，通過精密調(diào)節(jié)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和變換液晶驅(qū)動(dòng)電壓將液晶偏振分析器的偏振本底由2%降低到0.1%以下，極大提高了液晶偏振分析器的偏振測(cè)量靈敏度[29-32]。

總體而言，經(jīng)過近幾年的跨越式發(fā)展，我國(guó)的LCVR 型偏振分析器已與國(guó)際同類產(chǎn)品具有相當(dāng)性能，并且完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這對(duì)于我國(guó)未來(lái)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡尤其是空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的順利實(shí)施具有極其深遠(yuǎn)的影響。

2.2.2 FLC型偏振分析器

基于FLC光軸方位調(diào)制的偏振分析器稱為FLC型偏振分析器。如圖4所示，F(xiàn)LC型偏振分析器通常由2個(gè)FLC、1個(gè)1/4波片QWP和1個(gè)偏振片或偏振分光棱鏡組成。與LCVR 不同，F(xiàn)LC型偏振分析器的相位延遲固定，F(xiàn)LC1的相位延遲為180°，F(xiàn)LC2的相位延遲為90°，通過調(diào)制FLC的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)其光軸方位的調(diào)制，通過優(yōu)化FLC1、FLC2和QWP的光軸方位實(shí)現(xiàn)偏振測(cè)量。FLC 的響應(yīng)時(shí)間可短至1 ms、視場(chǎng)大且不存在類似LCVR的偏振本底，因此，F(xiàn)LC型偏振分析器具有更高的偏振靈敏度，尤其適合應(yīng)用在地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡以減小Seeing 對(duì)偏振靈敏度的影響。目前，美國(guó)高山天文臺(tái)的K-cor 和我國(guó)云南天文臺(tái)的FASOT均使用了該類偏振分析器。其中，K-cor 采用了定義型線偏振設(shè)計(jì)，只測(cè)量日冕的線偏振參數(shù)I、Q、U；FASOT基于偏振效率優(yōu)化方法設(shè)計(jì)了全Stokes參數(shù)FLC型偏振分析器，并使用“光開關(guān)”技術(shù)提高了偏振分析器的靈敏度。這2種偏振分析器的組成和圖4一致，區(qū)別在于根據(jù)不同偏振信號(hào)探測(cè)需求，優(yōu)化獲得的元器件光軸方位不同[24-25]。

圖4 FLC型偏振分析器Fig.4 FLC-based Stokes polarimeter

盡管FLC 在靈敏度上優(yōu)于LCVR，但是FLC的工藝實(shí)現(xiàn)難度遠(yuǎn)大于LCVR，且其空間適應(yīng)性尚未得到充分驗(yàn)證。截至目前，F(xiàn)LC型偏振分析器的應(yīng)用僅局限于地面太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)LC器件也主要來(lái)自美國(guó)Meadowlark 公司，國(guó)內(nèi)尚不具備研制光學(xué)級(jí)FLC的能力。

2.3 窄帶可調(diào)諧濾光器

太陽(yáng)磁場(chǎng)（尤其在光球?qū)樱┑挠^測(cè)譜線主要為夫瑯禾費(fèi)譜線，夫瑯禾費(fèi)譜線的最大特點(diǎn)是帶寬極窄，F(xiàn)WHM 在0.03 nm 以內(nèi)，且在如此窄帶寬內(nèi)偏振信號(hào)隨波長(zhǎng)顯著變化。因此，太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量對(duì)濾光系統(tǒng)提出極為嚴(yán)苛的需求，濾光帶寬通常須在0.01 nm 左右。

如此窄的帶寬使得濾光系統(tǒng)，尤其是成像型濾光系統(tǒng)的研制非常困難。目前雖然有很多濾光方法，但真正能夠滿足太陽(yáng)窄帶成像要求的濾光系統(tǒng)僅有Lyot 型雙折射濾光器、Solc型雙折射濾光器、Lyot-Michelson 濾光器和F-P腔濾光器。然而，這4種濾光方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：Solc型雙折射濾光器透過率高但只能在1個(gè)波長(zhǎng)位置觀測(cè)；Lyot 型雙折射濾光器和Lyot-Michelson 濾光器視場(chǎng)大、譜線可掃描，但是透過率低；F-P腔濾光器透過率高、譜線掃描速度快，但視場(chǎng)小。因此，只能針對(duì)不同的觀測(cè)需求選擇最適合的濾光方式。例如：F-P腔濾光器適合進(jìn)行高分辨、小視場(chǎng)快速掃描成像觀測(cè)；大視場(chǎng)、全日面乃至日冕的窄帶成像觀測(cè)，則需要Lyot型雙折射濾光器。

自1933年法國(guó)天文學(xué)家Lyot 發(fā)明了Lyot 型雙折射濾光器以來(lái)，該濾光設(shè)備迅速在太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)光球、色球、日冕的窄帶成像觀測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，取得了許多重大的科學(xué)成果。我國(guó)的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡成像設(shè)備，自1986年由艾國(guó)祥院士主導(dǎo)研制的35 cm 太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡投入常規(guī)應(yīng)用以來(lái)[15]，均采用了Lyot 型雙折射濾光器[33-34]。然而，隨著科學(xué)研究的日益深入，Lyot 型雙折射濾光器的發(fā)展所面臨的最大制約——通過波片旋轉(zhuǎn)掃描譜線輪廓——逐漸顯現(xiàn)。圖5為傳統(tǒng)的一級(jí)Lyot 雙折射濾光器，采用旋轉(zhuǎn)1/2波片的方式實(shí)現(xiàn)譜線連續(xù)掃描。這種掃描模式一方面由于采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)而速度較慢，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)在的快速譜線輪廓掃描需求；另一方面，每一級(jí)都有1個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，1個(gè)7級(jí)的濾光器將有7個(gè)旋轉(zhuǎn)級(jí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的空間應(yīng)用帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)和諸多困難。相比之下，液晶型Lyot 雙折射濾光器具有明顯優(yōu)勢(shì)。圖6為一級(jí)液晶型Lyot 雙折射濾光器，與圖5相比，相當(dāng)于用1個(gè)LCVR 完全取代了傳統(tǒng)的1/4波片和1/2波片旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。LCVR 快速調(diào)制將傳統(tǒng)的波帶掃描時(shí)間由s級(jí)縮減至幾十ms；而且LCVR 完全由低壓驅(qū)動(dòng)，整個(gè)濾光器的光、機(jī)、電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大增強(qiáng)了濾光器的空間適應(yīng)性。因此，液晶型Lyot 雙折射濾光器能夠完全彌補(bǔ)傳統(tǒng)雙折射濾光器的不足，是Lyot 雙折射濾光器進(jìn)一步發(fā)展的必然選擇。

圖5 傳統(tǒng)的Lyot 雙折射濾光器Fig.5 Classical Lyot birefringent filter

圖6 液晶型Lyot 雙折射濾光器Fig.6 LCVR-based Lyot birefringent filter

1997年D.Elmore等成功研制了一臺(tái)He I 1083 nm 近紅外液晶可調(diào)諧Lyot 雙折射濾光器[35]，帶寬0.135 nm，并在高山天文臺(tái)Mauna Loa 太陽(yáng)觀測(cè)站進(jìn)行了首次全日面He I成像觀測(cè)；在此基礎(chǔ)上，他們于2008年研制了1074.7和1079.8 Fe XIII雙波長(zhǎng)近紅外液晶可調(diào)諧Lyot 雙折射濾光器進(jìn)行日冕磁場(chǎng)測(cè)量（Coronal Multichannel Polarimeter,CoMP）[36]，帶寬0.13 nm。此外，1999年Ichimoto等也研制了一臺(tái)Fe XIV 530.3 nm 液晶可調(diào)諧Lyot 雙折射濾光器用于日冕發(fā)射線觀測(cè)[37]，帶寬0.1 nm。截至目前，國(guó)外發(fā)展成熟且已經(jīng)投入常規(guī)運(yùn)行的液晶可調(diào)諧濾光器均用于日冕測(cè)量，帶寬在0.1 nm 及以上。國(guó)內(nèi)的液晶可調(diào)諧濾光器研制起步較晚，2015年王東光等研制了一臺(tái)Ha 656.3 nm 液晶可調(diào)諧Lyot 雙折射濾光器，帶寬0.05 nm，但由于當(dāng)時(shí)從Meadowlark 定制的LCVR 存在較大的穩(wěn)定性等問題，該濾光器并未投入使用；2018年—2020 年期間他們重新更換了國(guó)產(chǎn)LCVR，并進(jìn)行了大量性能測(cè)試、誤差分析和技術(shù)改進(jìn)，初步解決了穩(wěn)定性等問題，目前該Ha 656.3 nm 液晶濾光器已順利出光并開始進(jìn)行試觀測(cè)[38]。

然而目前的液晶濾光器的帶寬均在0.05 nm 以上，距離可用于光球磁場(chǎng)測(cè)量的帶寬（0.01 nm）依舊很遠(yuǎn)。Ichimoto等于2015年前后研制了一臺(tái)多波段可調(diào)諧窄帶液晶濾光器并在NVST 上進(jìn)行了初步試觀測(cè)試驗(yàn)，但其性能如何、能否投入常規(guī)觀測(cè)尚未知。國(guó)家天文臺(tái)孫英姿等計(jì)劃在國(guó)家大科學(xué)工程“子午工程”（二期）的全日面太陽(yáng)色球望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目中研制一臺(tái)帶寬0.02 nm 的液晶可調(diào)諧濾光器，該項(xiàng)目已經(jīng)開始技術(shù)攻關(guān)，預(yù)計(jì)2023年投入觀測(cè)。

3 技術(shù)挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展

與傳統(tǒng)偏振光學(xué)器件不同，液晶屬于液晶相高分子材料，液晶調(diào)制器的有效光學(xué)厚度在波長(zhǎng)量級(jí)，因此，其無(wú)論是理論機(jī)制、加工工藝還是最終技術(shù)實(shí)現(xiàn)上與傳統(tǒng)偏振光學(xué)器件均有著本質(zhì)的區(qū)別。這些新技術(shù)新方法的應(yīng)用在帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)還存在類似干涉效應(yīng)、偏振本底、穩(wěn)定性和空間適應(yīng)性等問題，需要我們繼續(xù)深入研究和技術(shù)攻關(guān)。

3.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

1）靈敏度問題

偏振靈敏度是偏振分析器設(shè)計(jì)的最核心指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高偏振靈敏度是未來(lái)液晶偏振分析器能否完全取代傳統(tǒng)電光晶體調(diào)制器所面臨的最大挑戰(zhàn)，其中高偏振靈敏度LCVR 型偏振分析器的研制難度最大。正如第2章所述，LCVR 的工作原理決定了其透過率必然會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電壓變化而變化（干涉效應(yīng)），從而產(chǎn)生偏振本底，降低其偏振靈敏度。LCVR 液晶盒內(nèi)部的折射率匹配得好壞直接決定偏振分析器偏振本底的大小。雖然通過簡(jiǎn)單的折射率匹配和偏振分析器的精確裝調(diào)優(yōu)化，可以將偏振本底降低到0.1%以下，但當(dāng)入射角度增大后，現(xiàn)有的優(yōu)化效果將大打折扣。因此，最有效的手段仍然是從工藝上進(jìn)行精確的折射率匹配，以從本質(zhì)上降低偏振本底，提高偏振靈敏度；而且可以有效提高LCVR 的透過率和信噪比。然而，折射率精確匹配與LCVR 的其他電光性能之間的兼容性如何？LCVR是否仍然能在響應(yīng)時(shí)間、相位延遲和穩(wěn)定性等方面保持原有性能？是LCVR 型偏振分析器下一步需要去反復(fù)試驗(yàn)和深入研究的主要問題。

影響LCVR 型偏振分析器靈敏度的另外一個(gè)參數(shù)是響應(yīng)時(shí)間，目前ASO-S/FMG 的LCVR 型偏振分析器的響應(yīng)時(shí)間已達(dá)50 ms以內(nèi)。LCVR 的響應(yīng)時(shí)間與其使用的液晶材料有關(guān)，侯俊峰等的實(shí)測(cè)分析表明：現(xiàn)有的LCVR 的響應(yīng)時(shí)間最短可以控制在35 ms左右。如何在現(xiàn)有液晶工藝條件下，通過外圍電控和偏振測(cè)量方法的多重優(yōu)化，將最終實(shí)際可用的響應(yīng)時(shí)間縮減至10 ms以內(nèi)，是需要密切關(guān)注和突破的技術(shù)問題。

2）穩(wěn)定性問題

LCVR 對(duì)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)方向不敏感的特征帶來(lái)了另一個(gè)問題——穩(wěn)定性。在液晶可調(diào)諧濾光器中，很多情況下需要保持LCVR 的驅(qū)動(dòng)電壓固定不變，此時(shí)LCVR 內(nèi)部液晶分子永遠(yuǎn)偏向一個(gè)方向。由于液晶的液體特性、黏性、彈性以及其他未知因素綜合作用，可能使液晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生微弱變化，從而影響LCVR 的相位延遲調(diào)制的準(zhǔn)確性，最終導(dǎo)致液晶可調(diào)諧濾光器的透過輪廓不再穩(wěn)定，因此需要研究新的技術(shù)手段從硬件或軟件上解決此種不穩(wěn)定帶來(lái)的影響。另外，LCVR 對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的響應(yīng)呈指數(shù)變化，驅(qū)動(dòng)控制器的精密穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和定標(biāo)也是影響LCVR 穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)。

3）窄帶液晶可調(diào)諧濾光器關(guān)鍵技術(shù)

目前為止仍然沒有一臺(tái)帶寬0.01 nm 的液晶濾光器投入使用，要將濾光器帶寬由0.05 nm 降低到0.01 nm，液晶調(diào)制技術(shù)面臨的最大問題是什么？如此窄的帶寬下，LCVR 視場(chǎng)效應(yīng)影響如何？原有的理論模擬、仿真、分析、測(cè)試和定標(biāo)手段是否依然有效？都需要我們進(jìn)一步去探索和系統(tǒng)深入地研究。

4）空間適應(yīng)性問題

液晶調(diào)制技術(shù)是空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的最優(yōu)選擇。隨著空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的日益增多，必須深入研究液晶器件的空間適應(yīng)性。FLC方面，如何設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定和空間化的FLC是未來(lái)必須解決的問題；LCVR方面，需要著重關(guān)注高壓充電對(duì)LCVR 性能指標(biāo)的影響。在地球同步軌道，衛(wèi)星的充電電壓可達(dá)上萬(wàn)V，而LCVR 是非常敏感的電壓響應(yīng)器件，5 mV 的驅(qū)動(dòng)電壓變化就將導(dǎo)致LCVR 的相位延遲變化1°，因此，開展液晶輻照精細(xì)仿真和試驗(yàn)、設(shè)計(jì)有效輻照防護(hù)是推進(jìn)液晶調(diào)制技術(shù)真正可靠地應(yīng)用于空基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 技術(shù)應(yīng)用展望

1）空基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡

隨著我國(guó)空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，太陽(yáng)科學(xué)和空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)研究將成為未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，太陽(yáng)極軌探測(cè)、抵近探測(cè)、立體探測(cè)等計(jì)劃已陸續(xù)開展。而磁場(chǎng)是太陽(yáng)物理研究的源頭，幾乎所有的太陽(yáng)科學(xué)衛(wèi)星都配備了磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備，液晶調(diào)制技術(shù)則是未來(lái)發(fā)展空間磁場(chǎng)探測(cè)載荷的最佳選擇。尤其是ASO-S/FMG的順利實(shí)施，為液晶調(diào)制技術(shù)在空間太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡上的全面應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但1個(gè)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡載荷通常需要9個(gè)左右LCVR，而LCVR 又屬于光、電結(jié)合的單點(diǎn)失效器件，任何一個(gè)LCVR 異常都會(huì)給載荷帶來(lái)致命的影響。未來(lái)空基液晶調(diào)制技術(shù)的主要發(fā)展方向是提高液晶器件的空間適應(yīng)性，這直接決定了載荷在軌的工作模式、定標(biāo)模式以及科學(xué)數(shù)據(jù)的有效性。

2）地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡

高靈敏度、高精度偏振測(cè)量是新一代大口徑太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)精確磁場(chǎng)測(cè)量的核心指標(biāo)。例如，美國(guó)剛剛出光的4 m 級(jí)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡DKIST[39]和歐洲正在預(yù)研的4 m 級(jí)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡EST[40]均要求偏振靈敏度達(dá)到10-5Ic，偏振測(cè)量精度達(dá)到5×10-4Ic；我國(guó)正在研制的8 m 級(jí)中國(guó)巨型太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡CGST[41]要求偏振靈敏度在10-5Ic以上，偏振測(cè)量精度達(dá)到2×10-4Ic。不僅如此，大口徑太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)偏振系統(tǒng)的視場(chǎng)提出了更高要求。例如，由南京大學(xué)方成院士主導(dǎo)研制的2.5 m 大視場(chǎng)高分辨率望遠(yuǎn)鏡WeHoT要求觀測(cè)視場(chǎng)達(dá)到7′；CGST的觀測(cè)視場(chǎng)要求在3′以上[42]。表1給出目前常用的4種成像型濾光器的參數(shù)對(duì)比，可以看到，WeHoT 和CGST望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用這些濾光器所能實(shí)現(xiàn)的可觀測(cè)視場(chǎng)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際需求。因此，滿足大口徑、大視場(chǎng)、高透過率、高靈敏度觀測(cè)的液晶調(diào)制技術(shù)是地基大口徑太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡未來(lái)的主要發(fā)展目標(biāo)。

表1 太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡常用的4種窄帶成像型濾光器參數(shù)對(duì)比（以磁敏譜線Fe I532.42 nm，帶寬0.012 nm為例）Table 1 Comparison of parameters of four kinds of classical narrowband imaging filters for solar telescope(FeI 532.42 nm, bandwidth 0.012 nm)

偏振分析器方面，大口徑、高穩(wěn)定性是LCVR和FLC未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向；液晶濾光器方面，近年來(lái)人工雙折射晶體，如TeO2、LiNbO3等晶體的加工工藝日趨成熟，其中TeO2晶體的雙折射率與傳統(tǒng)冰洲石晶體相當(dāng)，且口徑可達(dá)100 mm 以上，有望增大觀測(cè)視場(chǎng)，為實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高透過率的液晶可調(diào)諧Lyot 雙折射濾光器提供了可能。

4 結(jié)束語(yǔ)

快速偏振調(diào)制和超窄帶濾光是太陽(yáng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)探測(cè)的最核心手段，而液晶調(diào)制是目前唯一可同時(shí)滿足偏振和窄帶調(diào)諧濾光的電光調(diào)制技術(shù)，且液晶調(diào)制器具有口徑大、光譜范圍寬、調(diào)制速度快、無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及相位延遲連續(xù)可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，因此有理由相信液晶調(diào)制技術(shù)將在我國(guó)未來(lái)空基、地基太陽(yáng)磁場(chǎng)探測(cè)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，成為未來(lái)10～30年我國(guó)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡獲得高質(zhì)量太陽(yáng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)成果產(chǎn)出的重要技術(shù)保證手段。其應(yīng)用涉及的技術(shù)挑戰(zhàn)有待進(jìn)一步研究攻關(guān)。