用极端光学工程窥视深空

在过去的几十年里，光学科学已经远远超越了伽利略和牛顿400年前最初奠定的基础。计划部署新的地面和太空望远镜，致力于比以往任何时候都更详细地观察太空深处，这将为天文学家提供更多的机会来寻找类地系外行星，并回答关于数十亿年前星系是如何形成和演化的问题。为了帮助这些计划成为现实，亚利桑那大学的研究人员正在使用万博Ansys结构而且光学下一代望远镜光学系统的设计、制造和测试中的模拟软件，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大型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怀恩特光学科学学院，研究人员处于创造光学组件的前沿，这些光学组件将为巨型麦哲伦望远镜等地基系统和未来的天基概念提供动力，如拟议中的OASIS空间天文台。

世界上最大的镜子，七倍!

巨型麦哲伦望远镜(GMT)预计在21世纪20年代末完工，它将成为有史以来最大的地面望远镜之一。格林尼治标准是由五大洲13所大学和科研机构组成的国际联盟的产物。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)。选择该位置是因为其干燥的气候和偏远的位置，这将减少来自光线、空气和湿度的光学干扰。

为了捕获足够多的光子，以足够清晰的方式看到数十亿光年的宇宙，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——这将构成主要的光学系统。由于光收集区域的大小，图像分辨率将比1990年发射的哈勃太空望远镜高约10倍，比2021年成功发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)高约4倍。

每个GMT镜面直径为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·卡里斯镜子实验室制作。前两段已经完成，而第3、4、5和6段都已铸造，并处于不同的表面抛光和测量阶段。

使用如此大的镜子的一个主要挑战是由其自身重量和风力引起的弯曲。在图像变得过于模糊之前，镜子只能弯曲约100纳米(nm)，因此平衡刚度和重量是至关重要的。使用万博Ansys机械在软件中，研究人员模拟了镜面结构，以预测光学表面的预期变形。在完成初始结构分析后，他们使用Zemax的结构、热、分析和结果(STAR)模块将力学有限元结果加载到该模块中万博Ansys Zemax光学工作室，在那里他们可以模拟每个镜面段由于表面变形而产生的光学性能。

在完整的光学力学分析之后，该团队将镜子的中心结构设计成一个轻量级的蜂巢，由几个0.5英寸厚的六角形肋骨组成，将1英寸厚的玻璃面板和背板连接在一起。¹为了铸造这面粗糙的镜子，大块的硼硅玻璃被装在以每分钟5转的速度旋转的熔炉里的一个模具上，当玻璃融化成凹抛物线形状时，它就会被压到模具的两侧，这是聚集来自遥远天体的光所必需的。在接下来的三个月里，熔炉慢慢停止旋转，玻璃冷却到室温。

冷却后，下一步是漫长的过程，将镜面抛光到所需的光学质量，并进行表面计算，以达到所需的形状，这需要接收光波长的一小部分精度。该表面必须与理想的离轴(或中心段的上轴)抛物线表面匹配，误差在25纳米以内，小于人类头发宽度的千分之一。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。他们在镜子表面的不同位置使用两种不同类型的抛光工具，选择性地瞄准不同尺度的高点，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绘图练习的基本组成部分。如果研究人员不能在一个典型的为期一周的抛光和计算过程之前建模、模拟、优化和预测玻璃材料的去除，他们就不知道他们是否从正确的位置去除了正确数量的材料。制造每个反射镜段的时间将远远超过6年，并将计划推迟许多年，甚至几十年。

为了避免这种反复试验的情况，研究小组在每次抛光后使用激光干涉测量法和可见偏转仪测量了镜子的表面形状。然后，他们使万博用Ansys力学和其他结构分析工具，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修正上，而不会与光学机械表面弯曲效应混淆。

在任何表面加工和抛光开始之前，表面的精度仅在30 μm (30,000 nm)以内，这与25 nm的目标精度相差3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缩短了四倍。对于段1，为了将精度从2400 nm提高到320 nm，需要进行约300天的抛光。对于第二部分，研究团队在短短70天内就取得了同样的结果，他们预计下一个部分会更快。²

绿洲空间天文台:那里有水吗?

太空望远镜的实际限制之一是光学系统的尺寸和重量。像风和光污染这样的问题被解决了，但你必须能够把这些组件装进火箭，并把它们送入轨道。詹姆斯·韦伯太空望远镜的全镜直径为6.5米，比一个格林尼治标准时间的主镜还要小，而且它发射时仍然需要将18个六角形部分折叠起来。要发射任何具有更大光学系统的物体，就需要使用完全不同的材料。

为了响应NASA最近的一个中型探险家机会，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的天文台的概念，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。当从航天器上完全展开时，反射器将膨胀到直径高达20米(66英尺)。结合主动和/或自适应光学技术，OASIS将在远红外光谱的太赫兹频率(约660 μm至63 μm)提供高分辨率观测。这将使它能够在本地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，它的形状是压力的函数，这对光学设计是一个独特的挑战。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化的解决空间，以确定望远镜光学系统的位置和大小，例如需要校正天线变化的表面轮廓的副镜。同时，该团队使用Zemax OpticStudio进行了射线跟踪分析，以预测天线的光子收集区域。OpticStudio的结果验证了膜的解析模型和数值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拉格朗日点周围的轨道上运行。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点比地球离太阳远近100万英里，也是JWST的天体邻居。随着更多科学案例的讨论和技术开发的积极实现，其他轨道也在考虑之中。

部署倒计时

许多致力于GMT和OASIS概念的亚利桑那团队成员都受到了过去30年哈勃计划的成功以及它向人类展示的著名深空图像的启发。哈勃望远镜的礼物之所以成为可能，是因为之前几十年的光学科学和工程使它能够成功发射和运行。事实上，该团队都有一个梦想，那就是把类似的礼物传递给后代，因为这两个项目都接近于在这个十年结束时实现。

参考文献

1. B. Martin和D. Kim，“如何为世界上最大的望远镜之一建造一面镜子?”，《对话》，2016年1月15日，theconversation.com/how-do-you-build-a-mirror-for-one-of-the-worlds-biggest-telescopes-49927。2022年4月15日访问。
2. H. Martin等人，“巨型麦哲伦望远镜主镜段的制造”，Proc. SPIE 10706，望远镜和仪器仪表光学和机械技术的进展III, 107060V(2018)。
3. S. Sirsi等人，“用于调查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”，SPIE 11820，天文光学:空间和地面系统的设计、制造和测试III, 118200Q(2021)。