改變太空望遠鏡的游戲規(guī)則：膜反射鏡為天文學(xué)帶來變革

科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種新的方法來生產(chǎn)和塑造大型高質(zhì)量的鏡面，比傳統(tǒng)上用于太空望遠鏡的主鏡要薄得多。這些產(chǎn)生的鏡子擁有足夠的靈活性，在發(fā)射過程中可以有效地卷起并包裝在航天器中。

德國馬克斯-普朗克地外物理研究所的Sebastian Rabien說："發(fā)射和部署空間望遠鏡是一個復(fù)雜而昂貴的程序。這種新方法--與典型的鏡子生產(chǎn)和拋光程序非常不同--可以幫助解決望遠鏡鏡子的重量和包裝問題，使更大、因而更敏感的望遠鏡能夠被放置在軌道上。"

在Optica出版集團的《應(yīng)用光學(xué)》雜志上，Rabien報告了成功制造出直徑達30厘米的拋物線膜鏡原型。這些鏡子可以放大到空間望遠鏡所需的尺寸，是通過使用化學(xué)氣相沉積法在真空室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)液體上生長膜鏡而制造的。他還開發(fā)了一種方法，利用熱量來適應(yīng)性地糾正鏡子展開后可能出現(xiàn)的缺陷。

"盡管這項工作只證明了方法的可行性，但它為成本更低的更大的可包裝鏡系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，它可以使直徑為15或20米的輕型鏡子成為現(xiàn)實，使天基望遠鏡的靈敏度比目前部署的或計劃中的望遠鏡高出幾個數(shù)量級。"

以新的方式應(yīng)用一個舊的過程

新方法是在COVID-19大流行期間開發(fā)的，拉比恩說這給了他一些額外的時間來思考和嘗試新概念。他說："在一長串的測試中，我們研究了許多液體，以找出它們在該工藝中的可用性，調(diào)查了如何能夠均勻地進行聚合物生長，并努力優(yōu)化該工藝。"

對于化學(xué)氣相沉積，一種前體材料被蒸發(fā)并熱裂成單體分子。這些分子在真空室中沉積在表面上，然后結(jié)合成一種聚合物。這一過程通常用于涂抹涂層，如使電子產(chǎn)品防水的涂層，但這是第一次用于制造具有望遠鏡所需光學(xué)質(zhì)量的拋物面膜鏡。

靈活的膜鏡

為了創(chuàng)造望遠鏡鏡面所需的精確形狀，研究人員在真空室的內(nèi)部加入了一個充滿少量液體的旋轉(zhuǎn)容器。液體形成一個完美的拋物線形狀，聚合物可以在上面生長，形成鏡子的底座。當聚合物足夠厚時，通過蒸發(fā)將反射金屬層涂在上面，液體被洗掉。

"人們早就知道，與當?shù)匾S對齊的旋轉(zhuǎn)液體將自然形成拋物面形狀，"Rabien說。"利用這一基本的物理現(xiàn)象，我們將一種聚合物沉積在這個完美的光學(xué)表面上，這就形成了一個拋物線型的薄膜，一旦涂上鋁等反射表面，就可以作為望遠鏡的主鏡。"

盡管其他小組已經(jīng)為類似的目的創(chuàng)造了薄膜，但這些鏡子通常是用高質(zhì)量的光學(xué)模具塑造的。使用液體來形成形狀要實惠得多，而且可以更容易地擴展到大尺寸。

重塑一個折疊的鏡子

使用這種技術(shù)制造的薄而輕的鏡子可以很容易地在前往太空的過程中被折疊或卷起來。然而，在拆開包裝后，幾乎不可能將其恢復(fù)到完美的拋物線形狀。為了重塑膜鏡的形狀，研究人員開發(fā)了一種熱方法，該方法利用用光創(chuàng)造的局部溫度變化來實現(xiàn)自適應(yīng)形狀控制，可以使薄膜進入所需的光學(xué)形狀。

研究人員通過在真空沉積室中創(chuàng)建直徑為30厘米的膜鏡來測試他們的方法。經(jīng)過大量的試驗和錯誤，他們能夠生產(chǎn)出具有適合望遠鏡的表面形狀的高質(zhì)量鏡子。他們還表明，他們的熱輻射自適應(yīng)塑形方法效果很好，這一點通過一個輻射器陣列和一個數(shù)字光投影儀的照明得到了證明。

新的膜基反射鏡也可用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。自適應(yīng)光學(xué)可以通過使用可變形的鏡子來補償進入的光線的失真，從而改善光學(xué)系統(tǒng)的性能。由于新的膜鏡的表面是可變形的，這些鏡子可以用靜電驅(qū)動器來塑造，以創(chuàng)造可變形的鏡子，其制造成本比用傳統(tǒng)方法制造的鏡子要低。

下一步，研究人員計劃應(yīng)用更復(fù)雜的自適應(yīng)控制來研究最終表面能被塑造得多好，以及能容忍多少初始變形。他們還計劃創(chuàng)建一個一米大小的沉積室，以更好地研究大規(guī)模主鏡的表面結(jié)構(gòu)和包裝及展開過程。

標簽： 太空望遠鏡 太空探索 膜反射鏡

　　 原標題：改變太空望遠鏡的游戲規(guī)則：膜反射鏡為天文學(xué)帶來變革