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

科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的方法來(lái)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(yuǎn)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(guò)程中可以有效地卷起并包裝在航天器中。

德國(guó)馬克斯-普朗克地外物理研究所的Sebastian Rabien說(shuō)："發(fā)射和部署空間望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)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(yuǎn)鏡鏡子的重量和包裝問(wèn)題，使更大、因而更敏感的望遠(yuǎn)鏡能夠被放置在軌道上。"

在Optica出版集團(tuán)的《應(yīng)用光學(xué)》雜志上，Rabien報(bào)告了成功制造出直徑達(dá)30厘米的拋物線膜鏡原型。這些鏡子可以放大到空間望遠(yuǎn)鏡所需的尺寸，是通過(guò)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(zhǎng)膜鏡而制造的。他還開(kāi)發(fā)了一種方法，利用熱量來(lái)適應(yīng)性地糾正鏡子展開(kāi)后可能出現(xiàn)的缺陷。

"盡管這項(xiàng)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(shí)，使天基望遠(yuǎn)鏡的靈敏度比目前部署的或計(jì)劃中的望遠(yuǎn)鏡高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。"

以新的方式應(yīng)用一個(gè)舊的過(guò)程

新方法是在COVID-19大流行期間開(kāi)發(fā)的，拉比恩說(shuō)這給了他一些額外的時(shí)間來(lái)思考和嘗試新概念。他說(shuō)："在一長(zhǎng)串的測(cè)試中，我們研究了許多液體，以找出它們?cè)谠摴に囍械目捎眯裕{(diào)查了如何能夠均勻地進(jìn)行聚合物生長(zhǎng)，并努力優(yōu)化該工藝。"

對(duì)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(guò)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(yuǎn)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(yuǎn)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(gè)充滿(mǎn)少量液體的旋轉(zhuǎn)容器。液體形成一個(gè)完美的拋物線形狀，聚合物可以在上面生長(zhǎng)，形成鏡子的底座。當(dāng)聚合物足夠厚時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)將反射金屬層涂在上面，液體被洗掉。

"人們?cè)缇椭溃c當(dāng)?shù)匾S對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)液體將自然形成拋物面形狀，"Rabien說(shuō)。"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(gè)完美的光學(xué)表面上，這就形成了一個(gè)拋物線型的薄膜，一旦涂上鋁等反射表面，就可以作為望遠(yuǎn)鏡的主鏡。"

盡管其他小組已經(jīng)為類(lèi)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(lái)形成形狀要實(shí)惠得多，而且可以更容易地?cái)U(kuò)展到大尺寸。

重塑一個(gè)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(guò)程中被折疊或卷起來(lái)。然而，在拆開(kāi)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(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)形狀控制，可以使薄膜進(jìn)入所需的光學(xué)形狀。

研究人員通過(guò)在真空沉積室中創(chuàng)建直徑為30厘米的膜鏡來(lái)測(cè)試他們的方法。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤，他們能夠生產(chǎn)出具有適合望遠(yuǎn)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(diǎn)通過(guò)一個(gè)輻射器陣列和一個(gè)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(guò)使用可變形的鏡子來(lái)補(bǔ)償進(jìn)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(dòng)器來(lái)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(jì)劃應(yīng)用更復(fù)雜的自適應(yīng)控制來(lái)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(jì)劃創(chuàng)建一個(gè)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(kāi)過(guò)程。

標(biāo)簽： 太空望遠(yuǎn)鏡 太空探索 膜反射鏡

　　 原標(biāo)題：改變太空望遠(yuǎn)鏡的游戲規(guī)則：膜反射鏡為天文學(xué)帶來(lái)變革