Stockes参数偏振光测量在空间天文望远镜中的应用

　　空间太阳望远镜SST(Space Solar Telescope)是中科院国家天文台的国家重大工程项目[1～4],它是用卫星将太阳望远镜送到大气层外的太空对太阳进行观测.星上搭载的每个科学仪器用于完成对太阳的不同区域、不同频段和不同时空分辨率的观测. SST上多达16个CCD对太阳进行连续的观测,但CCD直接拍摄到的图像并不能满足天文学家对太阳磁场结构与分布进行分析的要求.天文学家要求的图像是偏振极化图像,因此对太阳光谱进行偏振测量设计显得十分重要.本文着重探讨了偏振光测量的原理[5,6]、技术实现方法[5]和光路设计的问题.首先介绍了利用Stockes参数进行偏振光测量的原理,介绍了偏振光的两种表示方法的等效性和用Stockes参数进行偏振光测量的原理;接着给出了SST中的光路设计结果;最后介绍了仪器的调节和图像处理问题[4].

　　1　利用Stockes参数进行偏振测量的原理

　　1.1　偏振的表示方法

　　偏振光的表示可以用直角坐标系(或旋转一定角度的直角坐标系)和Stockes参数两种形式来表示.下面用最简单的完全偏振光椭圆偏振光为例,来说明它们的表示方法和转换关系.其它偏振光的表示和转换关系可类似推导.

　　1.1.1　直角坐标系下的直角分解表示法

　　如图1表示一椭圆波,由纸内向外传播,在直角坐标系xoy下该波动的瞬时场强E(t)总可以直角分解为

　　E(t) =E1(t) +E2(t),

　　式中:E1(t),E2(t)相互垂直,振动频率ω相同,但二者的振幅a1,a2和初相δ1和δ2可以不相同.则有

　　E(t) =E1(t) +E2(t),

　　E1(t) =e1a1cos(ωt-δ1),

　　E2(t) =e2a2cos(ωt-δ2). (1)

　　式(1)是椭圆光的普遍表示.显见,①当δ1=δ2时式(1)表示一线偏振光,合成线的斜率为a2/a1;②当a1=a2,且δ1-δ2=±π/2时式(1)表示圆偏振光,用±号可以判断左右旋转方向.

　　椭圆偏振光的全部特性由以下的因素决定:强度ξ2=(E1(t)+E2(t))2≡I,方位角α(椭圆的长轴与x轴正方向的夹角),旋向以及椭圆长短轴比(扁度).我们可以作简单的坐标系旋转(形成如图1的x′oy′系)再进行直角分解来证明:一旦给定(a1,a2,δ1,δ2),椭圆偏振光的上述全部偏振特性也就确定了,并且是唯一的决定了一支椭圆偏振光.证明如下:由椭圆的性质:长短轴的平方和为焦距的平方,我们可以设两个轴的长度为ζ sinβ ,ζ cosβ ,即椭圆的在x′oy′系下的方程为

　　式(6)表明,由(I,Q,U,V)可以完全确定(ζ,β,α),而式(7)则反之.需要说明的是:由式(5)可以看出,对于完全偏振光, (I,Q,U,V) 4个参量是不独立的,满足I2=Q2+U2+V2.