从第一性原理推导讨论天文红外干涉测量中外差探测与直接探测的决策问题
仪器与探测器
2023-12-25 v1 天体物理仪器与方法
摘要
目前文献中尚未发现从第一性原理出发，包含大气传输和低波束填充因子的外差探测（HD）与直接探测（DD）之间一致且明确的频谱比较，但这对未来以行星形成为重点的红外干涉测量设施的技术规划决策是必需的。该任务需要在中红外波段（N和Q波段）较低源温度（300-1000 K）下同时具备高灵敏度连续谱和多普勒分辨的发射与吸收线探测能力。在相同的半经典理论框架下推导了两种方案的信噪比（SNR），该理论包括天线耦合的经典模式理论以及由三个辐射场（热信号、热背景，以及HD中的相干本地振荡器（LO））的量子占据这些模式。通过这种方式可以一致地纳入非常小的波束填充因子（干涉测量）和大气吸收/发射的影响，以及量子噪声传播，从而在HD中考虑带有互相关（CC）的平衡混频器。特别地，仔细考虑了从探测前到探测后SNR的过渡。我们之所以这样做，是因为通常引用的SNR表达式是在过于简单且不现实的情况下推导的，并且包含一些错误假设。我们为天文干涉测量引入了一种新颖的HD方案，其灵敏度比传统HD提高一个数量级，并计算得出在N和Q波段，对于R=10000的光谱分辨率，该方案应超越DD干涉测量的灵敏度，并且通过可行的技术改进，对于R=300也应如此。这一结果鼓励为未来的中红外干涉测量设施以及现有设施的新仪器开发宽带外差技术。
引用
@article{arxiv.2312.14365,
title = {An ab-initio derivation to discuss the heterodyne versus direct detection decision problem for astronomical infrared interferometry},
author = {E. A. Michael and F. E. Besser and M. Hadjara and E. Moreno and A. Berdja and M. Pina and G. Pereira},
journal= {arXiv preprint arXiv:2312.14365},
year = {2023}
}