Ny måte å lage teleskopspeil på kan skjerpe vårt syn på universet

Forskere har utviklet en ny måte å bruke femtosekund-laserpulser for å fremstille de ultratynne speilene med høy presisjon som kreves for røntgenteleskoper med høy ytelse. Teknikken kan bidra til å forbedre de rombaserte røntgenteleskopene som brukes til å fange høyenergiske kosmiske hendelser involvert i dannelsen av nye stjerner og supermassive sorte hull.

“Å oppdage kosmiske røntgenstråler er en avgjørende del av vår utforskning av universet som avslører høyenergihendelsene som gjennomsyrer universet vårt, men som ikke er observerbare i andre bølgebånd,” sa leder for forskerteamet Heng Zuo, som utførte forskningen ved MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research og er nå ved University of New Mexico. “Teknologiene vår gruppe utviklet vil hjelpe teleskoper med å få skarpe bilder av astronomiske røntgenstråler som kan svare på mange spennende vitenskapelige spørsmål.”

Røntgenteleskoper går i bane over jordens atmosfære og inneholder tusenvis av tynne speil som hver må ha en nøyaktig buet form og være nøye innrettet med hensyn til alle de andre speilene. I OPTISKbeskriver forskerne hvordan de brukte femtosekund laser mikrobearbeiding for å bøye disse ultratynne speilene til en presis form og korrigere feil som kan oppstå i fabrikasjonsprosessen.

“Det er vanskelig å lage ultratynne speil med en eksakt form fordi fabrikasjonsprosessen har en tendens til å bøye det tynne materialet alvorlig,” sa Zuo. “Teleskopspeil er også vanligvis belagt for å øke reflektiviteten, og disse beleggene deformerer vanligvis speilene ytterligere. Våre teknikker kan håndtere begge utfordringene.”

Presisjonsbøyning

Nye måter å fremstille ultrapresise og høyytelses røntgenspeil for teleskoper er nødvendig ettersom nye oppdragskonsepter fortsetter å presse grensene for røntgenbilde. For eksempel vil NASAs Lynx X-ray Surveyor-konsept ha den kraftigste røntgenoptikken som noen gang er utviklet og vil kreve produksjon av et stort antall ultrahøyoppløselige speil.

For å dekke dette behovet kombinerte Zuos forskningsgruppe femtosekund lasermikromaskinering med en tidligere utviklet teknikk kalt stressbasert figurkorreksjon. Stressbasert figurkorreksjon utnytter bøybarheten til tynne speil ved å påføre en deformerbar film på speilsubstratet for å justere spenningstilstandene og indusere kontrollert bøyning.

Teknikken innebærer selektiv fjerning av områder av en belastet film som vokser på baksiden av et flatt speil. Forskerne valgte femtosekundlasere for å oppnå dette fordi pulsene produsert av disse laserne kan lage ekstremt presise hull, kanaler og merker med liten sideskade.

Dessuten tillater de høye repetisjonshastighetene til disse laserne raskere maskineringshastigheter og gjennomstrømming sammenlignet med tradisjonelle metoder. Dette kan bidra til å fremskynde produksjonen av det store antallet ultratynne speil som kreves for neste generasjons røntgenteleskoper.

Kartlegging av stress

For å gjennomføre den nye tilnærmingen måtte forskerne først bestemme nøyaktig hvordan lasermikromaskinering endrer speilets overflatekrumning og spenningstilstander. Deretter målte de den første speilformen og laget et kart over spenningskorreksjonen som er nødvendig for å lage ønsket form. De utviklet også et flerpass-korreksjonsskjema som bruker en tilbakemeldingssløyfe for å redusere feil gjentatte ganger til en akseptabel speilprofil er oppnådd.

“Våre eksperimentelle resultater viste at mønstret fjerning av periodiske hull fører til ekvibiaksiale (skålformede) spenningstilstander, mens orientert fjerning av periodiske bunner med finpitch genererer ikke-ekvibiaksiale (potetgullformede) stresskomponenter,” sa Zuo.

“Ved å kombinere disse to funksjonene med riktig rotasjon av bunnorienteringen kan vi skape en rekke spenningstilstander som i prinsippet kan brukes til å korrigere for enhver type feil i speilene.”

I dette arbeidet demonstrerte forskerne den nye teknikken på flate silisiumskiver ved bruk av vanlige mønstre. For å korrigere ekte røntgenastronomiteleskopspeil, som er buet i to retninger, utvikler forskerne et mer komplekst optisk oppsett for 3D-bevegelse av underlagene.

---

---