改变太空望远镜的游戏规则：膜反射镜为天文学带来变革

科学家们已经开发出一种新的方法来生产和塑造大型高质量的镜面，比传统上用于太空望远镜的主镜要薄得多。这些产生的镜子拥有足够的灵活性，在发射过程中可以有效地卷起并包装在航天器中。

德国马克斯-普朗克地外物理研究所的Sebastian Rabien说："发射和部署空间望远镜是一个复杂而昂贵的程序。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、因而更敏感的望远镜能够被放置在轨道上。"

在Optica出版集团的《应用光学》杂志上，Rabien报告了成功制造出直径达30厘米的抛物线膜镜原型。这些镜子可以放大到空间望远镜所需的尺寸，是通过使用化学气相沉积法在真空室内的旋转液体上生长膜镜而制造的。他还开发了一种方法，利用热量来适应性地纠正镜子展开后可能出现的缺陷。

"尽管这项工作只证明了方法的可行性，但它为成本更低的更大的可包装镜系统奠定了基础，它可以使直径为15或20米的轻型镜子成为现实，使天基望远镜的灵敏度比目前部署的或计划中的望远镜高出几个数量级。"

以新的方式应用一个旧的过程

新方法是在COVID-19大流行期间开发的，拉比恩说这给了他一些额外的时间来思考和尝试新概念。他说："在一长串的测试中，我们研究了许多液体，以找出它们在该工艺中的可用性，调查了如何能够均匀地进行聚合物生长，并努力优化该工艺。"

对于化学气相沉积，一种前体材料被蒸发并热裂成单体分子。这些分子在真空室中沉积在表面上，然后结合成一种聚合物。这一过程通常用于涂抹涂层，如使电子产品防水的涂层，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。

灵活的膜镜

为了创造望远镜镜面所需的精确形状，研究人员在真空室的内部加入了一个充满少量液体的旋转容器。液体形成一个完美的抛物线形状，聚合物可以在上面生长，形成镜子的底座。当聚合物足够厚时，通过蒸发将反射金属层涂在上面，液体被洗掉。

"人们早就知道，与当地引力轴对齐的旋转液体将自然形成抛物面形状，"Rabien说。"利用这一基本的物理现象，我们将一种聚合物沉积在这个完美的光学表面上，这就形成了一个抛物线型的薄膜，一旦涂上铝等反射表面，就可以作为望远镜的主镜。"

尽管其他小组已经为类似的目的创造了薄膜，但这些镜子通常是用高质量的光学模具塑造的。使用液体来形成形状要实惠得多，而且可以更容易地扩展到大尺寸。

重塑一个折叠的镜子

使用这种技术制造的薄而轻的镜子可以很容易地在前往太空的过程中被折叠或卷起来。然而，在拆开包装后，几乎不可能将其恢复到完美的抛物线形状。为了重塑膜镜的形状，研究人员开发了一种热方法，该方法利用用光创造的局部温度变化来实现自适应形状控制，可以使薄膜进入所需的光学形状。

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。经过大量的试验和错误，他们能够生产出具有适合望远镜的表面形状的高质量镜子。他们还表明，他们的热辐射自适应塑形方法效果很好，这一点通过一个辐射器阵列和一个数字光投影仪的照明得到了证明。

新的膜基反射镜也可用于自适应光学系统。自适应光学可以通过使用可变形的镜子来补偿进入的光线的失真，从而改善光学系统的性能。由于新的膜镜的表面是可变形的，这些镜子可以用静电驱动器来塑造，以创造可变形的镜子，其制造成本比用传统方法制造的镜子要低。

下一步，研究人员计划应用更复杂的自适应控制来研究最终表面能被塑造得多好，以及能容忍多少初始变形。他们还计划创建一个一米大小的沉积室，以更好地研究大规模主镜的表面结构和包装及展开过程。