Validation and extension of the PAWS Zemax model as a first step in the development of a Compact Arrayed Waveguide Stacked Multi-Object Spectrograph (CAWSMOS)
本文概述了紧凑型阵列波导堆叠多目标光谱仪（CAWSMOS）的开发过程，该仪器旨在实现天文仪器的微型化，其特征在于一个经过验证并扩展的 PAWS 系统 Zemax 模型，该模型揭示了特定的位置精度以及点扩散函数大小和探测器容量方面的显著差异。
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长期以来，天文学家一直依赖大型仪器将来自遥远恒星的光线分解成彩虹般的色彩，从而揭示宇宙的化学成分和运动。这些被称为光谱仪的设备传统上由大型反射镜和透镜组成，其尺寸会随着其服务的望远镜同步增大。随着望远镜为了捕捉更微弱的光而变得越来越大，附着在其上的光谱仪也面临着变得笨重且成本高昂的风险。为了解决这一问题，科学家们正转向一种能将这些复杂的光学系统缩小到计算机芯片大小的技术。通过利用蚀刻在玻璃上的微小通道来引导和分离光线，研究人员希望能够制造出紧凑、高效且能够同时观测多个目标的仪器。挑战在于，如何证明当这些微型组件堆叠在一起以处理多路光流时，它们能够表现得与那些巨大的、房间大小的前身一样出色。
在最近的一项研究中，来自德国的一个研究小组通过测试一种新型紧凑型光谱仪的数字蓝图，朝着这一目标迈出了重要一步。他们的工作聚焦于一个名为 PAWS 的设备，该设备使用一种被称为阵列波导光栅的专用芯片，来色散来自 H 波段（大气层相对透明的一个特定红外波长范围）的光。研究人员想要观察他们是否可以将这种单芯片系统扩展为一种多目标仪器，通过将多个芯片逐层堆叠，实现同时观测多颗恒星或星系。为了在不反复构建和重建物理硬件的情况下完成这一过程，他们创建了一个复杂的计算机模拟，涵盖了从光离开芯片到撞击探测器的整个光学路径。这个数字模型使他们能够预测光的行为，并将这些预测与现有的 PAWS 仪器所取得的实际测量值进行对比。
团队首先通过仔细校准计算机模型，使其与从 PAWS 光谱仪收集到的实际数据保持一致。他们追踪了特定颜色的光落在探测器上的位置，并将模拟位置与测量位置进行了对比。他们发现，在针对轻微的设置偏移进行调整后，计算机模型能够极其准确地预测光斑的位置，在其中一个方向上的误差小于 28 个像素，在另一个方向上小于 18 个像素。这种精度的水平证实了该“数字孪生”在追踪光路方面的可靠性。然而，当研究人员观察光斑的大小和形状时，出现了一个显著的差异。计算机模拟预测的光斑比实验室中实际观察到的要小五倍。这种差异之所以发生，是因为该模型仅考虑了光离开芯片后的光学特性，忽略了芯片本身固有的缺陷、物理限制以及光进入芯片的方式。
带着一个能够准确预测位置但无法预测大小的模型，研究人员测试了将第二个芯片直接堆叠在第一个芯片之上的概念。在他们的模拟中，他们添加了第二个光源来代表第二个芯片，并观察这两组光谱线在探测器上呈现出的样子。结果显示，这两个芯片确实可以同时使用，因为第二个芯片发出的光会落在探测器上不同的垂直位置，从而有效地创建了第二层数据。然而，模拟也揭示了一个物理约束：目前的探测器不够大，无法在捕捉两个芯片的全波长范围时而不切断光谱的边缘。此外，由于现实中的光斑比模型预测的更大，存在着在波长范围的极端处两个芯片的信号发生模糊并相互重叠的风险。
研究结论指出，虽然数字模型是规划这些紧凑型仪器布局的强大工具，但它目前还无法完全预测最终图像的质量，因为它遗漏了由芯片本身引入的细微畸变。研究人员确定，虽然在现有设置下堆叠两个芯片在物理上是可行的，但只能部分实现，因为若要在未来容纳更多芯片，则需要更大的探测器或修改光学系统。这项工作作为一个关键的概念验证，证明了通往紧凑型多目标光谱仪的路径是可行的，但也强调了进行进一步物理实验的必要性，以完善设计并确保堆叠后的芯片能够提供清晰、独立的宇宙景象，而不会导致其信号发生重叠。
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