利用新型望远镜反射镜技术提升宇宙清晰度

研究人员创造了一种使用飞秒激光脉冲制造高性能X射线望远镜所需的高精度超薄反射镜的新方法。该方法可以帮助提高用于观测高能宇宙现象的天基X射线望远镜的能力，包括超大质量黑洞和新恒星的形成。

研究人员开发了一种使用飞秒激光脉冲制造高性能X射线望远镜所需的高精度超薄反射镜的新方法。飞秒激光表面烧蚀用于选择性地去除镜面基板上的应力膜区域，校正镜面反射面的形状。图片来源：左恒，麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所

“探测宇宙X射线是我们对宇宙探索的关键部分，它揭示了穿透我们宇宙但在其他波段无法观察到的高能事件。我们小组开发的技术将帮助望远镜获得天文X射线的清晰图像，可以回答许多有趣的科学问题。” 

——左恒，新墨西哥大学机械工程系研究组组长、助理教授

成千上万的小镜子组成了X射线望远镜，它们在地球大气层上方运行。X射线望远镜中的每面镜子必须正确弯曲并相对于其他镜子定位。

在Optica(光学出版集团的高影响力研究期刊)上，研究人员详细介绍了他们如何使用飞秒激光微加工将这些超薄反射镜弯曲成精确的形式，并修复在制造过程中可能发生的错误。

左恒补充说：“很难制造出具有精确形状的超薄镜子，因为制造过程往往会严重弯曲薄材料。此外，望远镜反射镜通常被涂覆以增加反射率，这些镀膜通常会进一步使反射镜变形。我们的技术可以解决这两个挑战。

精密弯曲

随着新的任务理念不断突破X射线成像的边界，有必要开发用于制造望远镜超精密和高性能X射线反射镜的新技术。例如，源自美国宇航局的Lynx X射线测量员的想法，将采用有史以来最强大的X射线光学器件，产生一些超高分辨率反射镜。

为了满足这一需求，左恒的研究团队将基于应力的图形校正（一种先前发现的方法）与飞秒激光微加工相结合。基于应力的图形校正利用薄镜的可弯曲性，将可变形的薄膜引入镜面基板以改变其应力状态并诱导受控弯曲。

该过程需要消除在平面镜底面上形成的应变涂层的特定区域。研究人员选择飞秒激光器来做到这一点的原因是，它们的脉冲可以构建非常精确的孔，通道和标记，而几乎没有附带损害。

此外，与传统技术相比，这些激光器的高重复率可实现更快的加工速度和吞吐量。这可能会加速下一代X射线望远镜所必需的大量超薄镜子的制造。

描绘应力

研究人员必须精确地指出激光微加工如何改变镜子的表面曲率和应力状态，才能使用新方法。在对原始的镜面形状进行测量后，他们描绘了一张图形，显示了实现所需形状所需的应力调整。

此外，他们创建了一种多通道校正方法，该方法使用反馈回路来减少错误，直到反复获得合适的镜面轮廓。

“我们的实验结果表明，周期性孔的图案化去除导致等偏（碗形）应力状态，而精细定向去除周期性槽产生非等双向（薯片状）应力分量。将这两个特征与槽方向的正确旋转相结合，我们可以创建各种应力状态，原则上可用于校正镜子中的任何类型的误差，”左恒说。

在这项研究中，研究人员使用规则的图案来展示平面硅晶圆上的新技术。研究人员正在为三维基板的运动创建一个更复杂的光学系统，以调整真正的X射线天文望远镜镜子，这些镜子在两个方向上弯曲。

参考文献：

Zuo, H., et al. (2022) Femtosecond laser micromachining for stress-based figure correction of thin mirrors. Optics. doi:10.1364/OPTICA.461870

来源: Enhance Clarity on Cosmos with New Approach to Telescope (azooptics.com)