美国国家航空航天局的工程师突破了物理学的极限来聚焦光

发布时间:2023-12-05 23:00:03.000Z

一对精确轨道小型卫星将尝试捕捉太阳表面附近小尺度特征的第一视角,科学家认为这些特征推动了太阳风的加热和加速。

 

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的太阳物理学家道格-拉宾(Doug Rabin)博士说,光子筛是一种能够聚焦极紫外光的技术,它应该能够分辨出比现在太阳动力学天文台的超紫外成像仪所能看到的小10到50倍的特征。

 

不过,要想达到最佳效果,它们必须宽大、超薄,并刻有精确的孔洞以折射光线。在戈达德探测器开发实验室工作期间,戈达德工程师凯文-丹尼斯(Kevin Denis)开发出了新方法,用硅和铌晶片制作出更宽更薄的薄膜。

 

迄今为止,每一项进展都需要额外的步骤来保护由此产生的筛子,例如留下一个由较厚材料组成的蜂窝来支撑薄膜并防止撕裂。"戈达德太阳物理学家道格-拉宾(Doug Rabin)博士说:"以如此高的精度制造筛子是一项纯粹的物理挑战。"它们最小的特征是2微米宽,穿孔之间有2微米的间隙,这与大多数细菌的大小差不多。"

 

筛子从中心开始蚀刻,孔环越来越小,筛子的构造类似于灯塔中使用的菲涅尔透镜,可以折射光线。穿过筛子的极紫外线会逐渐向内弯曲,射向远处的照相机。丹尼斯说,薄膜对太阳能科学很重要,因为这些筛子比厚材料能透过更多的光。

 

他和同事凯利-约翰逊(Kelly Johnson)工程师成功制作了一个直径为 3 英寸(8 厘米)的硅筛,厚度仅为 100 纳米。现在,他们正在尝试使用铌膜,因为铌膜的透光率是硅的七倍,所以可以进一步提高光收集效率。他们已经成功蚀刻出直径为 5 英寸(13 厘米)、厚度仅为 200 纳米的铌筛。

像这样的光子筛是从硅或铌的单晶片上切割下来的,用于聚焦极紫外光。图片来源:NASA / Christopher Gunn。

 

他说,Denis 从与科学家密切合作中获得灵感,克服了推进其领域发展的障碍。"他们在近期科学应用中使用筛网的工作做得非常出色,同时我们也在推动这项技术用于更大、更有能力的任务"。

 

由厚达25微米的材料切割而成的光子筛已经成为技术演示VISORS-虚拟超级光学可重构蜂群立方体卫星任务的一部分,预计将于2024年发射。VISORS 由一颗与公文包差不多大小的紧凑型卫星组成,卫星上装有筛子,可将光线折射到 130 英尺(40 米)外第二颗卫星上的接收器上。

 

维持这些航天器的高精度轨道和开发遮阳板是戈达德 IRAD 其他项目的重点。VISOR 的成功可能会为未来更大规模的任务铺平道路,一旦丹尼斯的较薄筛子准备好用于太空飞行,就可以利用其更高的分辨率,以公里为单位测量航天器之间的距离。另一个更大的光子筛将用于校准预计于 2027 年发射的 MUSE--多狭缝太阳探测器--光谱仪

 

丹尼斯的工作得到了《今日物理学》(Physics Today)的重点报道,并已获得两项专利,第三项专利也已提交。戈达德首席技术专家彼得-休斯(Peter Hughes)在11月15日举行的IRAD年度海报会议上向Denis颁发了23财年IRAD年度创新奖。

 

在继续挑战工程极限的同时,Denis表示他非常期待MUSE和VISORS的发射。"在我们不断改进的同时,还能看到它们将如何被用于新的科学领域,这是一个巨大的动力"。

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