《Principles of Interferometry》中文版 (1)

《Principles of Interferometry》(原文)从大家都熟悉的杨氏双缝干涉实验出发介绍干涉仪原理,对希望了解或者进一步学习相关知识的同学非常合适。本着学习的目的,我已将本文的第一章(包含了干涉仪基本原理和u,v覆盖等观测中的基本概念)翻译为中文,并征得作者和出版社的同意,在网络上与大家分享。后几章包括了数据分析处理等内容,待翻译完成后将更新到PDF版本中。该译文仅作学术交流使用,请尊重原作版权,转载亦请注明出处。

此处摘录第一小节的内容供预览,完整版本请下载(PDF)
也请大家积极反馈各种意见,特别是概念解释方面,希望大家帮助我一起来完善。

Principles of Interferometry   干涉仪原理

Neal Jackson
University of Manchester, Jodrell Bank Observatory
neal.j.jackson at manchester.ac.uk

原文链接:http://www.jb.man.ac.uk/~njj/int.pdf
作者个人网页:http://www.jb.man.ac.uk/~njj
本文ADS链接:2008LNP…742..193J

编译:
蒋雪健 南京大学
xjjiang.nju at gmail.com

 

我将在这篇文章中介绍干涉技术的原理,并描述人们是如何将它应用在现代望 远镜中的。本文将强调对概念的形象化说明,而不是具体的数学推导。更详尽的相 关知识可以参阅 Thompson, Moran & Swenson (2001)。另外,NRAO(National Radio Astronomy Observatory) 每三年会举行干涉仪的系列讲座,可参考文集Taylor, Carilli & Perley (1998)(译注:该讲习班现在每两年举办一次,2012年为第13届。网站提供了 讲座的幻灯片: http://www.aoc.nrao.edu/events/synthesis/2010/lectures10.html)。

本文的重点是干涉技术在长波段的应用,也会稍涉及到最新的光学干涉方法。 最后一节将对目前工作于米——毫米波段的干涉仪进行简单介绍。第一节与第二节 的大部分,将介绍基本的干涉原理,而这些原理对所有波段的干涉技术都是适用 的。其他的文章对光学干涉技术进行了更全面的综述(如: Monnier 2003),涵盖了 VLT使用的干涉技术,可作为本文的补充。

1 Basics: Young’s slits and Fourier transforms  基础:杨氏狭缝实验与傅立叶变换

1.1 Young’s slits 杨氏狭缝

干涉仪的构想最初来自于Young的双狭缝实验中的干涉条纹图案(图1)。点光 源发出的相干光线,穿过双狭缝后,由于存在光程差而在屏上产生干涉,形成明暗 交替的条纹。条纹的间隔是λ/d,即光的波长除以双狭缝的间距。

假设光源变宽(图1b),我们可以将它看作一列点光源,它们的辐射是互不相 关的。这时屏上的干涉条纹图案即是由这列点光源各自的干涉条纹叠加而成。相隔 一定角度的光源,它们的干涉条纹有同样角度的偏移,因此当光源的宽度趋近 于 λ /d 时干涉图案会变得几乎均匀(图1c)。这时条纹的可见度(visibility,定义为最强与最弱的差,归一到最强与最弱的和)降为0。反之,当光源角尺度 << λ/d, 条纹可见度为1 —— 对应于在干涉仪中天体尺度小于角分辨率的情况,这时对该天 体的尺度测量,只能得到量级为 λ/d 的上限。

图1. 不同情形下的杨氏双缝实验。每幅小图中光源在左,狭缝居中,干涉 条纹(彩色)及其叠加强度(黑色)在右。不同颜色对应不同点光源产生 的干涉图案。a:基本的双缝图案,干涉条纹间距为λ/d;b:增加光源宽 度,光源位置偏移θ 角会造成条纹图案等效偏移θ 角。由于各点光源互不相 干,强度叠加后可见度(对比度)将会下降。c:当光源宽度趋近于 λ/d, 可见度几乎为0。d:使双缝间距d 减小,条纹极大的间隔将增加,即使光 源宽度与(c)中相同,仍然能看到明暗交替的条纹图案; 现在若要“消除”条纹则需增加光源尺度至λ/d_new 。

接下来再来考虑双狭缝间距 d 减小,光源尺度不变的情形。此时被“消除”的干 涉条纹又会出现,这是由于条纹间距 λ /d 变宽,光源的偏移导致的条纹偏移与条纹间距相比变得不明显(图1d)。换句话说,双狭缝的间距越小,利用干涉条纹所能 分辨的辐射源尺度便越大。

图2 展示了这个原理。对于一定的辐射分布,我们画出可见度随着双缝间距变化的曲线。可以看到对小尺度(致密)的源,即使双缝间距变大,可见度仍然较高 (假设辐射点源和无穷大的缝间距)。而对大尺度(延展)的源,可见度随着双缝 间距增加而下降很快。

这里展示的I (θ) 与 V (d)的关系,对应了“宽高斯分布”与“窄高斯分布”的一个映射关系。很明显这是一对傅立叶变换2 ,也是我们全文讨论的基础。 这个原理最初被应用于测量非常致密的天体——类星体的尺度。方法是利用一架固定望远镜和一架可移动的望远镜,在长至约150公里的基线上测量信号的可见 度函数(Adgie et al. 1965)。当两架望远镜距离不断增加,可见度开始降低(< 1),这时的 λ/d 约等于类星体的角尺度。

图2. 源的亮度角分布(左)与干涉条纹可见度随缝间距(基线长度)分布(右)的对 应关系。

 

 


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11 Replies to “《Principles of Interferometry》中文版 (1)”

  1. ZhiyuZhang

    Chrome 17.0.963.56 MacIntosh

    雪健拆分几章连载发布吧? pdf可以下载看,这里可以讨论. 此外,这一章的”可见度(visibility)” 指的都是干涉条纹的强度吧? 和现在光学干涉仪做的比较类似,给不出相位信息. 后面如果继续提到这个概念的话,射电干涉仪里面大部分变成混杂振幅和相位在一起合并的复数形式了.

  2. Lijie Liu

    Safari MacIntosh

    雪健要去参加今年的Synthetic Imaging Workshop吗:)?好像今年的提前了在五月份,弄的也颇为低调。

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