研究人员为大型天基望远镜设计新的膜镜

研究人员已经开发出一种新方法来生产和塑造大型高质量镜子，这些镜子比以前用于太空望远镜的主镜子薄得多。由此产生的镜子足够灵活，可以卷起并紧凑地存放在运载火箭内。

“发射和部署太空望远镜是一个复杂而昂贵的过程，”德国马克斯普朗克地外物理研究所的塞巴斯蒂安拉比恩说。“这种新方法 - 与典型的镜子生产和抛光程序非常不同 - 可以帮助解决望远镜镜子的重量和包装问题，使更大，因此更灵敏的望远镜能够放置在轨道上。

在《应用光学》杂志上，Rabien报道了直径达30厘米的抛物面膜镜原型的成功制造。这些镜子可以放大到太空望远镜所需的尺寸，是通过使用化学气相沉积在真空室内的旋转液体上生长膜镜而创建的。他还开发了一种方法，利用热量来自适应地纠正镜子展开后可能发生的缺陷。

“虽然这项工作只证明了这些方法的可行性，但它为更便宜的大型可包装镜系统奠定了基础，”Rabien说。“它可以使直径为15或20米的轻型镜子成为现实，使天基望远镜比目前部署或计划中的望远镜敏感几个数量级。

以新方式应用旧流程

新方法是在 COVID-19 大流行期间开发的，Rabien 说这给了他一些额外的时间来思考和尝试新概念。“在一系列测试中，我们研究了许多液体，以了解它们在该工艺中的可用性，研究了如何均匀地进行聚合物生长，并努力优化工艺，”他说。

对于化学气相沉积，前体材料被蒸发并热分解成单体分子。这些分子沉积在真空室的表面上，然后结合形成聚合物。该工艺通常用于应用涂层，例如使电子设备防水的涂层，但这是第一次用于制造具有望远镜所需光学质量的抛物面膜镜。

为了创建望远镜镜所需的精确形状，研究人员在真空室内部添加了一个装满少量液体的旋转容器。液体形成完美的抛物线形状，聚合物可以在其上生长，形成镜子底座。当聚合物足够厚时，通过蒸发将反射金属层施加到顶部，并将液体洗掉。

“人们早就知道，与局部引力轴对齐的旋转液体会自然形成抛物面表面形状，”Rabien说。“利用这种基本的物理现象，我们将聚合物沉积到这个完美的光学表面上，形成一个抛物面薄膜，一旦涂有铝等反射表面，就可以用作望远镜的主镜。

尽管其他小组已经为类似目的制造了薄膜，但这些镜子通常使用高质量的光学模具成型。使用液体形成形状更实惠，并且可以更容易地放大到大尺寸。

重塑折叠镜子

使用这种技术创建的轻薄镜子可以在太空旅行期间轻松折叠或卷起。然而，拆包后几乎不可能让它恢复到完美的抛物线形状。为了重塑膜镜，研究人员开发了一种热方法，该方法使用光产生的局部温度变化来实现自适应形状控制，从而使薄膜变成所需的光学形状。

研究人员通过在真空沉积室中创建直径为30厘米的膜镜来测试他们的方法。经过多次试验和错误，他们能够生产出表面形状适合望远镜的高质量镜子。他们还表明，他们的热辐射自适应整形方法效果很好，正如一系列辐射器和数字光投影仪的照明所证明的那样。

新的基于膜的反射镜也可用于自适应光学系统。自适应光学器件可以通过使用可变形的镜子来补偿入射光的失真来提高光学系统的性能。由于新膜镜的表面是可变形的，因此可以使用静电致动器对这些镜子进行成型，以创建可变形的镜子，其制造成本低于使用传统方法创建的反射镜。

接下来，研究人员计划应用更复杂的自适应控制来研究最终表面的形状以及可以容忍多少初始变形。他们还计划创建一个米大小的沉积室，以更好地研究大型主镜的表面结构、封装和展开过程。