利用极限光学工程一瞥深空

在过去的几十年里，光学科学已经远远超越了400年前伽利略和牛顿最初奠定的基础。计划部署新的地面和太空望远镜，致力于比以往更深入地观察深空，这将为天文学家提供更多的机会来发现类地系外行星，并回答有关数十亿年前星系如何形成和演化的问题。为了使这些计划成为现实，亚利桑那大学的研究人员正在使用Ansys结构和光学设计、制造和测试下一代望远镜光学系统的仿真软件，这将使我们对宇宙的认识又一次巨大飞跃。

亚利桑那大学是几个主要望远镜研究和开发项目的中心。凭借其世界领先的大型光学实验室和Wyant光学科学学院，研究人员处于创造光学元件的最前沿，这些光学元件将为巨型麦哲伦望远镜等地面系统和未来的太空概念(如提议的OASIS空间天文台)提供动力。

史上最大的镜子，七倍!

预计在20世纪20年代末完工后，巨型麦哲伦望远镜(GMT)将成为有史以来建造的最大的地面望远镜之一。GMT是由五大洲的13所大学和科研机构组成的国际联盟的产物。该建筑本身将位于智利阿塔卡马沙漠的拉斯坎帕纳斯峰，海拔约2500米(8200英尺)。选择该地点是因为其干燥的气候和偏远的地理位置，这将减少光、空气和湿度的光学干扰。

为了捕获足够的光子，以足够清晰地观察宇宙中数十亿光年的范围，GMT项目需要创建七个巨大的镜面部分——一个中心部分和围绕它的六个离轴部分——这将构成主要光学系统。由于光线收集区域的大小，图像分辨率将比1990年发射的哈勃太空望远镜高10倍左右，比2021年成功发射的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)高4倍左右。

每个GMT镜面部分直径8.4米(28英尺)，重约16吨，需要大约6年的时间来完成，包括铸造、抛光和测试过程。这些是世界上最大的镜子，由亚利桑那大学的理查德·f·卡里斯镜子实验室生产。前两段已经完成，而第3、4、5和6段都已经铸造，并处于表面抛光和测量的各个阶段。

使用如此大的镜子的一个主要挑战是由自身重量和风力引起的弯曲。镜子只能弯曲约100纳米(nm)，否则图像就会变得太模糊，因此平衡硬度和重量是至关重要的。使用Ansys机械研究人员用软件模拟了镜面结构，以预测光学表面的预期变形。初步的结构分析完成后，他们使用Zemax的结构、热、分析和结果(STAR)模块将机械的有限元结果加载到Ansys Zemax OpticStudio在那里，他们可以模拟由于表面变形而导致的每个反射镜片段的光学性能。

在进行了完整的光学力学分析后，该团队将镜子的中心结构设计为一个轻质蜂巢，由几个0.5英寸厚的六边形肋骨组成，将1英寸厚的玻璃面板和背板连接在一起。¹为了铸造粗糙的镜子，一块块硼硅玻璃被装入一个熔炉内的模具中，以每分钟5转的速度旋转，当玻璃融化成凹面抛物线形状时，迫使玻璃沿着模具的侧面向上，这是聚焦来自遥远天体的光所必需的。在接下来的三个月里，熔炉慢慢停止转动，玻璃冷却到室温。

一旦冷却，下一步是抛光镜面的漫长过程，以达到所需的光学质量和表面图形，以达到所需的形状，这需要精确到接收光波长的一小部分。该表面必须与理想的离轴(或中心段的轴上)抛物面匹配到25纳米以内，这比人类头发宽度的千分之一还小。由于表面是非球面，团队需要对形状进行非常精细的局部控制。他们在镜面的不同位置使用两种不同类型的抛光工具，选择性地针对不同尺度的高点，同时磨料慢慢地一个分子一个分子地去除玻璃。

确定性是这种精密光学计算练习的基本组成部分。如果研究人员不能在一个典型的长达一周的抛光和加工过程之前对玻璃材料的去除进行建模、模拟、优化和预测，他们就不知道他们是否从正确的位置去除了适量的材料。然后，制造每个镜面段的时间将远远超过6年，并将该计划推迟许多年，甚至几十年。

为了避免这种反复试验的情况，该团队在每次抛光后使用激光干涉测量法和可见偏转测量法测量了镜子的表面形状。然后，利用Ansys机械和其他结构分析工具，他们模拟了测量过程中表面的重力和热变形，并在测量表面误差中补偿了预测变形。因此，该团队将下一轮持续的光学计算集中在有意义的光学表面误差校正上，而不会与光学机械表面弯曲效应混淆。

在任何表面计算和抛光开始之前，表面精度仅在30 μm (30,000 nm)以内，这与25 nm的目标精度相差三个数量级。在模拟的帮助下，抛光过程的改进帮助团队将实现特定表面精度测量所需的日历时间减少了四倍。对于第一部分，需要大约300天的抛光才能将精度从2400 nm提高到320 nm。对于第二部分，研究团队仅用了70天就取得了同样的结果，他们预计下一个部分的速度会更快。²

绿洲空间天文台:那里有水吗?

空间望远镜的实际限制之一是光学元件的尺寸和重量。风和光污染等问题被消除了，但你必须能够把这些部件装进火箭，并把它们送入轨道。詹姆斯·韦伯太空望远镜的全反射镜直径为6.5米，比格林尼治标准时间的单个主反射镜还小，而且发射时它的18个六边形部分仍然是折叠的。发射更大的光学器件需要使用完全不同的材料。

为了响应美国宇航局最近的一次中型探索者的机会，用于调查恒星系统的轨道天文卫星(OASIS)望远镜是一个基于空间天文台的概念，它的主镜(或天线)由金属化聚合物膜制成——实际上是一个巨大的聚酯气球。当从宇宙飞船上完全展开时，反射器将膨胀到直径20米(66英尺)。结合主动和/或自适应光学技术，OASIS将被设计用于在远红外光谱(约660 μm至63 μm)的太赫兹频率上提供高分辨率观测。这将使它能够在当地的小行星和其他恒星系统的行星或卫星上寻找水。

由于主镜是一种可充气材料，其形状是压力的函数，这是光学设计的一个独特挑战。利用内部分析模型，亚利桑那大学的研究人员评估了一个参数解空间，以确定望远镜光学器件的位置和尺寸，如次级反射镜，这将需要纠正天线表面轮廓的变化。同时，该团队使用Zemax OpticStudio进行光线追踪分析，以预测天线的光子收集区域。OpticStudio的结果验证了解析和数值膜模型都适用于准确预测充气光学表面的光学设计参数。^3.

如果该项目被NASA选中，预计发射日期将在2028年，届时OASIS将在L2拉格朗日点附近的轨道上运行。这是卫星可以放置的位置之一，这样来自太阳和地球的引力就能平衡卫星的运动。L2点比地球离太阳还要远100万英里，也是JWST的天体邻居。其他轨道也在考虑之中，因为正在讨论更多的科学案例，并积极实现技术发展。

部署倒计时

许多致力于GMT和OASIS概念的亚利桑那团队的灵感来自于哈勃计划在过去三十年的成功，以及它向人类展示的著名的深空图像。哈勃望远镜的馈赠之所以成为可能，要归功于数十年的光学科学和工程研究，才使其成功发射和运行。事实上，随着这两个项目在本十年末接近实现，该团队都有一个梦想，即将类似的礼物传递给后代。

参考文献

1. b·马丁和d·金，“如何为世界上最大的望远镜之一制造镜子?， The Conversation, 2016年1月15日，theconversation.com/how-do-you-build-a-mirror-for-one-of-the-worlds-biggest-telescopes-49927。访问日期:2022年4月15日。
2. H. Martin et al.，“巨型麦哲伦望远镜主镜段的制造”，SPIE 10706，望远镜光学与机械技术进展III, 107060V(2018)。
3. S. Sirsi et al.，“用于探测恒星系统的轨道天文卫星(OASIS)空间望远镜的参数化设计研究”，Proc. SPIE 11820，天文光学:空间和地面系统的设计、制造和测试III, 118200Q(2021)。