突破物理学极限！用光子筛聚焦光线

一对精确轨道的小型卫星将尝试捕捉太阳表面附近小尺度特征的首次视图，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·拉宾博士说，光子筛是一种可以聚焦极紫外光的技术，应该能够分辨出比今天太阳动力学天文台的EUV成像仪小10到50倍的特征。

然而，为了最有效，它们必须宽、超薄，并蚀刻有精确的孔来折射光线。戈达德工程师凯文·丹尼斯（Kevin Denis）在戈达德的探测器开发实验室工作，开发了用硅和铌晶片制造更宽更薄的膜的新方法。

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到目前为止，每一项进步都需要额外的措施来保护由此产生的筛子，例如留下较厚材料的蜂窝来支撑膜并防止撕裂。戈达德太阳物理学家Doug Rabin博士说：“以如此精确的方式构建筛子是一项纯粹的物理挑战，它们最小的特征是2微米的宽度，穿孔之间有2微米的间隙，这大约是大多数细菌的大小。”

筛子从中心蚀刻出越来越小的孔环，用于折射光线，类似于灯塔中使用的菲涅尔透镜。通过这个筛子的极紫外光逐渐向内弯曲到远处的相机。丹尼斯说，薄膜对太阳科学很重要，因为这些筛子比较厚的材料透射更多的光。

他和工程师凯利·约翰逊（Kelly Johnson）成功地生产出直径为3英寸（8厘米）的硅筛，厚度仅为100纳米。现在，他们正在试验铌膜，这可以进一步提高聚光效率，因为它们透射的光是硅的七倍。他们成功地蚀刻了一个直径为5英寸（13厘米）的铌筛，厚度仅为200纳米。

他说，丹尼斯从与科学家的密切合作中汲取灵感，以克服推进其领域的障碍。“他们在近期的科学应用中使用筛子做得很好，而我们则将该技术推向更大、更有能力的任务。

从厚达 25 微米的材料上切割出的光子筛已经是技术演示 VISORS（虚拟超级光学可重构群）CubeSat 任务的一部分，预计将于 2024 年发射。VISORS 由一颗大约公文包大小的紧凑型卫星组成，该卫星配备了筛子，用于将光线折射到 130 英尺（40 米）外的第二颗卫星上的接收器上。

保持这些航天器的高精度轨道和开发遮阳板是其他戈达德IRAD项目的重点。VISOR的成功可能为更大的未来任务铺平道路，航天器之间的距离以公里为单位，一旦它们准备好进行太空飞行，就会采用Denis更薄的筛子的更高分辨率。另一个更大的光子筛将用于校准MUSE（多缝太阳探索者）光谱仪，预计将于2027年发射。

丹尼斯的工作在《今日物理》上得到了重点介绍，并且已经获得了两项专利，第三项专利已提交。戈达德首席技术专家彼得·休斯（Peter Hughes）在11月15日举行的该计划年度海报会议上授予丹尼斯23财年IRAD年度创新者奖。

丹尼斯说，虽然他继续突破工程的极限，但他期待着MUSE和VISOR的发布。“看到它们将如何用于新科学，即使我们继续改进，这是一个很好的动力。

相关链接：https://phys.org/news/2023-12-nasa-limits-physics-focus.html

gangzi0801	2023-12-06 12:57
关注科研动态。

谭健	2023-12-06 14:33
关注科研动态。

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