72、天文光谱仪：从近红外到超大望远镜的设计挑战与策略

天文光谱仪：从近红外到超大望远镜的设计挑战与策略

1 近红外光谱仪概述

近红外（1 - 5μm）光谱仪的基本光学设计考虑与工作在光学波长的光谱仪相似，但也存在一些重要差异。这些差异主要源于红外光学材料的特性和可用性，以及红外探测器的成本和可用性。

1.1 光学材料

具有良好透过率（超过约1.6μm）的光学材料有限，包括某些晶体、少量光学玻璃（如Ohara公司的S - FPL51、S - FTM16和S - TIM28）和熔融石英。一些特别有用的晶体包括CaF₂、ZnSe和Al₂O₃（蓝宝石）。其中，蓝宝石强度最高，可用于制作真空窗口；ZnSe具有最高的色散，是棱镜的重要材料。由于大尺寸晶体往往更难生产，红外透射光学组件的直径相当有限。例如，红外透射熔融石英（infrasil）可以制成非常大的直径（>1 m），而ZnSe则很难制成直径大于约150 mm的材料。

1.2 探测器技术

近红外探测器技术的发展比光学探测器慢。直到最近十年，才出现了尺寸高达2k × 2k × 18μm像素的探测器。以前的探测器尺寸较小，相对较小焦平面的相机就可以覆盖可用的探测器区域。这导致光谱仪在天空中的视场受限，光谱阶数的长度有限，从而限制了光谱仪的整体性能，使其比光学光谱仪更小、更简单。目前8米级望远镜上的仪器是第一代拥有足够大探测器面积的仪器，能够要求具有与光学光谱仪相当性能的光学设计，并充分利用红外光学材料的可用尺寸。

1.3 真空 - 低温环境

近红外光谱仪与光学光谱仪的一个明显区别是需要提供真空 - 低温环境，以降低热背景。这一要求有利于采用更小、更紧凑的配置，但抑制热背景也会带来其他复杂性。近红外