§ 4.13. Использование оптических волокон в астрономических телескопах

Оптическим волокном называется стеклянная нить, по которой можно передать свет. В последнее время такие оптические световоды получили применение в телескопах.

С помощью обычного щелевого спектрографа за одну экспозицию, продолжающуюся десятки минут и даже часы, можно получить спектр лишь одной звезды. Это непродуктивно. Но представим себе, что в фокусе телескопа построено изображение участка неба и к изображениям интересующих астронома звезд подведены торцы оптических волокон. Другие концы их расположены вдоль щели спектрографа. В результате за одну экспозицию могут быть получены спектры нескольких десятков звезд. Такие спектрографы получили название многозвездных (или типа «медуза»). С помощью гибкого оптического волокна можно передать свет (или, если использовать упорядоченный жгут волокон, то и изображение) на значительное расстояние, что упрощает конструкцию телескопа.

Оптическое волокно представляет собой светопроводящую стеклянную нить (жилу) диаметром от 5 до окруженную тонкой стеклянной оболочкой. Показатели преломления нити и оболочки должны удовлетворять условию

Это обеспечивает полное внутреннее отражение на границе нить-оболочка и, тем самым, распространение света вдоль нити. Если входной торец нити находится в среде с показателем преломления то в меридиональном сечении пройдут через нить все лучи, входящие в нее в апертурном угле, для которого

Косые лучи, лежащие вне меридиональной плоскости, пройдут, если для них

есть угол между проекцией луча на плоскости поперечного сечения волокна и нормалью к поверхности раздела жила-оболочка. Очевидно, что угол у может быть заключен в пределах от до Для меридиональных лучей апертура волокна

При падении косого луча под углом на торец волокна значения угла у должны удовлетворять условию

Изложенное строго лишь для прямых волокон. В изогнутых волокнах картина усложняется. Кроме того, следует иметь в виду, что волокно нарушает когерентность передаваемого света и его поляризацию, причем последняя меняется при изгибе волокна. Оптические волокна могут иметь числовую апертуру более высокую, чем обычные линзовые системы, а упорядоченные жгуты волокон — большое линейное поле. К оптическим волокнам предъявляются следующие требования: жила должна быть изготовлена из стекла с большим показателем преломления (однако это снижает светопропускание в коротковолновой части спектра), поверхность ее должна быть гладкой, а поперечное сечение круглым; торцы должны быть оптически плоскими и перпендикулярны оси волокна.

Кроме оптических волокон в астрономии находят применение также волоконные шайбы и фоконы. Волоконная шайба представляет собой пластину, собранную из множества светопроводящих жил, как правило, впеченных в общую оболочку. Такие шайбы широко используются в электронно-оптических преобразователях ООП) для спрямления криволинейного поля. Они могут использоваться и для спрямления поля в оптических системах вместо линзы Пиацци-Смита (см. § 5.5). В этих случаях входной поверхности волоконной шайбы придается кривизна, равная кривизне поля, а другая сторона ее — плоская.

Фоконом называется оптический световод, геометрия поперечного сечения которого меняется вдоль оси. Фокон может быть выполнен в виде конуса. В этом случае числовая апертура на входе с широкого конца его меньше числовой апертуры на выходе. Если направить пучок лучей в широкий торец фокона, то на узком конце его поперечное сечение сожмется, но расходимость увеличится. Фокон с круглым входом и лезвиеобразным выходом позволяет направить в узкую щель спектрографа весь свет от сравнительно большого круглого изображения звезды. Однако, применяя волоконные элементы, всегда следует иметь в виду согласование апертуры телескопа, волокна или фокона на входе и на выходе и входной апертуры спектрографа или другого светоанализирующего прибора. При этом следует помнить, что даже цилиндрическое волокно несколько увеличивает апертуру выходного пучка лучей по сравнению с апертурой пучка на входе: некоторая доля (в отдельных случаях до 20 %) лежит вне теоретического конуса лучей. Это явление называется деградацией апертуры.

При переносе изображения поля с помощью волокон, шайб или фоконов желательно, чтобы для каждой точки поля ось соответствующего волокна совпадала с направлением оси главного луча. В противном случае, как показал Винне (Wynne С.G. [ 1991 ]), неизбежны потери света.