一窥深太空与极端的光学工程

Daewook金和埃里克·弗格森

在过去的几十年里,光学科学已经远远超出了400年前最初由伽利略和牛顿奠定了基础。计划部署新的地面和太空望远镜致力于看到详细深入深空比以往任何时候都将为天文学家们提供更多机会找到类地行星和回答问题关于星系形成和演化数十亿年前。为了帮助实现这些计划,亚利桑那大学的研究人员使用Ansys结构和光学仿真软件在设计、制造和测试下一代望远镜的光学设计,使我们对宇宙的另一个巨大的飞跃。

亚利桑那大学的几个主要的中心是望远镜研究和发展项目。以其领先的大型光学实验室和Wyant光学科学学院的研究人员创造的最前沿的光学组件功率地面系统,如巨型麦哲伦望远镜和未来天基概念提出了绿洲空间天文台。

图1:艺术家的概念完成的巨型麦哲伦望远镜,将位于阿塔卡马沙漠约115公里(71英里)东北偏北拉瑟瑞娜,智利。礼貌的巨型麦哲伦望远镜——GMTO公司

有史以来建造的最大的镜子,乘以七!

在2020年代末,在其预期完成巨型麦哲伦望远镜(格林尼治时间)将成为最大的地面望远镜。格林尼治时间的乘积是一个国际财团的13所大学和科研机构在五大洲。结构本身将驻留在拉斯坎帕纳斯峰在智利阿塔卡马沙漠海拔约2500米(8200英尺)。位置被选为其干燥的气候和冷漠,将减少光学干涉光,空气,和湿度。

捕获足够的光子看到数十亿光年的宇宙有足够的清晰度,GMT项目需要创建七个巨大的镜子段——一个中心部分和六个离轴段围绕它——这将包括主光学。由于大小的光收集区域,图像分辨率将大约10倍哈勃太空望远镜于1990年发射升空,并大约四倍詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)在2021年成功发射。

格林尼治时间每个镜子段直径8.4米(28英尺),重约16吨,大约需要六年完成,包括铸造、抛光和测试流程。这是世界上最大的镜子和生产Richard f . Caris镜子实验室亚利桑那大学。前两个部分已经完成,而段3、4、5、6都是演员和表面抛光和测量的不同阶段。

使用这样一个大镜子的一个重大挑战是弯曲引起的自身重量,风的力量。镜子只能弯曲约100纳米(纳米)之前的图片太模糊,所以平衡的刚度重量是非常重要的。使用Ansys机械软件,研究人员模拟了镜光学表面的结构来预测预期的变形。初始结构分析完成后,然后利用Zemax档案的结构、热、分析和结果(明星)模块加载有限元结果机械Ansys Zemax档案OpticStudio的光学性能,在那里他们可以模拟每个镜子段由于表面变形。

全光机位分析后,团队设计镜中央作为一个轻量级的蜂窝结构,组成几个0.5英寸厚的肋骨六角模式维系1-inch-thick玻璃facesheet和相对。¹把粗糙的镜子,大块的硼硅玻璃装载在模具内炉旋转5 rpm,这迫使玻璃模具的两边,因为它融入所需凹抛物线的形状聚焦光从一个遥远的天体。在接下来的三个月,炉慢慢停止转动,玻璃冷却到室温。

图2:计算机生成全息图(CGH)的干涉测量配置直径8.4米的巨型麦哲伦望远镜(GMT)离轴段表面形状计量。

冷却后,下一步是抛光镜子的漫长过程必要的光学质量和表面计算来实现所需的形状,这需要一个精度的一小部分波长的光被收到。表面必须匹配理想离轴(或轴上的中心部分)抛物线表面在25海里,这是小于人类头发宽度的1000。因为表面非球面,团队需要有非常好的地方控制的形状。使用两种不同类型的镜面抛光工具在不同的位置,他们有选择地目标高位置的不同尺度而研磨材料慢慢消除了玻璃,分子的分子。

确定是这个精密光学计算运动的重要组成部分。如果研究者不能模型,模拟,优化,和预测玻璃材料去除一个典型的一周的抛光和计算会话之前,他们不知道他们是否把适量的材料从正确的位置。期间生产每个镜子段将超过六年和延迟程序,许多年,甚至几十年。

为了避免这种试错的情况下,研究小组测量了镜子的表面形状使用激光干涉法和可见deflectometry每次抛光后会议。使用Ansys机械和其他结构分析工具,然后模拟重力和表面热变形的测量和补偿预测变形的测量表面错误。因此,团队关注下一个轮继续光学计算运行在有意义的光学表面误差校正不与光机位混淆表面弯曲效应。

任何表面计算和抛光开始前,表面只精确到大约30μm(30000海里),这是三个数量级远离目标25纳米精度。大大改善抛光过程中,辅助模拟,帮助团队减少了所需的日历时间达到一个特定的表面精度测量的四个因素之一。段1,它花了300天的抛光提高精度从2400纳米到320纳米。2段,研究小组在短短70天,取得了同样的结果,他们期望它更快的下一个片段。²

图3:仿真结果显示两个弯曲模式形状的8.4 GMT离轴主镜段(在不同的视图)。

绿洲空间天文台:有水吗?

的实际限制太空望远镜光学的大小和重量。风、光污染等问题,但你必须能够适应组件在一个火箭和提升他们送入轨道。完整的镜子詹姆斯韦伯太空望远镜的直径是6.5米,格林尼治时间小于一个主反射镜,它仍然不得不推出18的六角折叠起来。发射任何更大的光学需要使用完全不同的材料。

图4:3 d渲染图像的绿洲空间太赫兹在亚毫米波望远镜观察远红外线。

在回应最近NASA中等探险家机会,调查恒星的轨道天文卫星系统(绿洲)为太空天文台望远镜是一个概念与主镜(或天线)制成的金属化聚合物膜有效——一个巨大的气球。从宇宙飞船完全部署时,反射器将会膨胀直径20米(66英尺)。一起活动和/或自适应光学技术,绿洲将旨在提供高分辨率观测在太赫兹频段在遥远的红外光谱(约63 660μmμm)。这将允许它去寻找水在当地小行星和行星或卫星在其他恒星系统。

由于主镜是一种充气材料,其形状是压力的函数,这是一个独特的光学设计的挑战。亚利桑那州使用内部分析模型,研究人员评估参数解空间确定的位置和大小望远镜等光学二次镜子,将需要对表面轮廓的改变天线。在平行,射线跟踪分析执行的团队使用Zemax档案OpticStudio预测光子收集区域的天线。膜OpticStudio结果验证分析和数值模型是适合准确预测充气光学表面的光学设计参数。³

由美国国家航空航天局(NASA)如果项目被选中设想发射日期将会在2028年,即绿洲将运行在一个绕L2拉格郎日点。这是其中的一个位置可以将卫星定位,这样来自太阳的引力和地球平衡卫星的运动。L2的一点是比地球离太阳近一百万英里远,也是詹姆斯韦伯太空望远镜的天体附近。其他轨道也被认为是更科学的情况正在讨论和技术发展是积极实现。

图5:充气光学设计按照设计模型的解空间轮廓图观察绿洲乐队1。有效光子收集面积和直径M2和M3镜子绘制A1曲率半径的函数和入射光瞳直径(环保署)。

倒计时部署

亚利桑那州的许多团队合作在格林尼治时间和绿洲的概念来自哈勃项目在过去三十年的成功和著名的深空图像揭示了人性。礼物从哈勃只有可能由于几十年的光学科学与工程之前,使其成功发射和操作。团队确实,分享梦想传递类似的礼物给未来几代人的两个项目接近实现这个十年结束时。

引用

1. 马丁和d·金,“你怎么建立一个镜子的世界上最大的望远镜吗?“谈话,2016年1月15日,theconversation.com/how - -你-构建- -镜——一- - -世界最大的望远镜- 49927。2022年4月15日访问。
2. h·马丁et al .,“制造巨型麦哲伦望远镜主镜段,“Proc。相比10706年,光学和机械技术进步望远镜和仪器三世,107060 v (2018)。
3. 美国Sirsi et al .,“参数化设计的研究调查恒星的轨道天文卫星系统(绿洲)太空望远镜,“Proc。相比11820年,天文光学:设计、制造、和测试的空间和地面系统三世,118200问》(2021)。

Daewook金正日副教授的亚利桑那大学光学科学和天文学。

埃里克·弗格森是一个职业作家在Ansys的优势。