科學家們已經開發出一種新的方法來生產和塑造大型高質量的鏡面，比傳統上用於太空望遠鏡的主鏡要薄得多。這些產生的鏡子擁有足夠的靈活性，在發射過程中可以有效地捲起並包裝在航天器中。

德國馬克斯-普朗克地外物理研究所的Sebastian Rabien說：”發射和部署空間望遠鏡是一個複雜而昂貴的程序。這種新方法–與典型的鏡子生產和拋光程序非常不同–可以幫助解決望遠鏡鏡子的重量和包裝問題，使更大、因而更敏感的望遠鏡能夠被放置在軌道上。”

研究人員通過使用化學氣相沉積法在一個真空室內的旋轉液體上生長膜鏡來製造鏡子。這使他們能夠形成拋物線型的薄膜，塗上鋁等反射表面後就可以作為望遠鏡的主鏡。資料來源：Sebastian Rabien，馬克斯-普朗克地外物理研究所

在Optica出版集團的《應用光學》雜誌上，Rabien報告了成功製造出直徑達30厘米的拋物線膜鏡原型。這些鏡子可以放大到空間望遠鏡所需的尺寸，是通過使用化學氣相沉積法在真空室內的旋轉液體上生長膜鏡而製造的。他還開發了一種方法，利用熱量來適應性地糾正鏡子展開後可能出現的缺陷。

“儘管這項工作只證明了方法的可行性，但它為成本更低的更大的可包裝鏡系統奠定了基礎，它可以使直徑為15或20米的輕型鏡子成為現實，使天基望遠鏡的靈敏度比目前部署的或計劃中的望遠鏡高出幾個數量級。”

以新的方式應用一個舊的過程

新方法是在COVID-19大流行期間開發的，拉比恩說這給了他一些額外的時間來思考和嘗試新概念。他說：”在一長串的測試中，我們研究了許多液體，以找出它們在該工藝中的可用性，調查瞭如何能夠均勻地進行聚合物生長，並努力優化該工藝。”

對於化學氣相沉積，一種前體材料被蒸發並熱裂成單體分子。這些分子在真空室中沉積在表面上，然後結合成一種聚合物。這一過程通常用於塗抹塗層，如使電子產品防水的塗層，但這是第一次用於製造具有望遠鏡所需光學質量的拋物面膜鏡。

靈活的膜鏡

使用新技術製造的膜鏡具有足夠的靈活性，可以被捲起來。這可能有助於在運載火箭內儲存這些鏡子。資料來源：Sebastian Rabien，馬克斯-普朗克地外物理研究所

為了創造望遠鏡鏡面所需的精確形狀，研究人員在真空室的內部加入了一個充滿少量液體的旋轉容器。液體形成一個完美的拋物線形狀，聚合物可以在上面生長，形成鏡子的底座。當聚合物足夠厚時，通過蒸發將反射金屬層塗在上面，液體被洗掉。

“人們早就知道，與當地引力軸對齊的旋轉液體將自然形成拋物面形狀，”Rabien說。”利用這一基本的物理現象，我們將一種聚合物沉積在這個完美的光學表面上，這就形成了一個拋物線型的薄膜，一旦塗上鋁等反射表面，就可以作為望遠鏡的主鏡。”

儘管其他小組已經為類似的目的創造了薄膜，但這些鏡子通常是用高質量的光學模具塑造的。使用液體來形成形狀要實惠得多，而且可以更容易地擴展到大尺寸。

重塑一個折疊的鏡子

使用這種技術製造的薄而輕的鏡子可以很容易地在前往太空的過程中被折疊或捲起來。然而，在拆開包裝後，幾乎不可能將其恢復到完美的拋物線形狀。為了重塑膜鏡的形狀，研究人員開發了一種熱方法，該方法利用用光創造的局部溫度變化來實現自適應形狀控制，可以使薄膜進入所需的光學形狀。

研究人員通過在真空沉積室中創建直徑為30厘米的膜鏡來測試他們的方法。經過大量的試驗和錯誤，他們能夠生產出具有適合望遠鏡的表面形狀的高質量鏡子。他們還表明，他們的熱輻射自適應塑形方法效果很好，這一點通過一個輻射器陣列和一個數字光投影儀的照明得到了證明。

新的膜基反射鏡也可用於自適應光學系統。自適應光學可以通過使用可變形的鏡子來補償進入的光線的失真，從而改善光學系統的性能。由於新的膜鏡的表面是可變形的，這些鏡子可以用靜電驅動器來塑造，以創造可變形的鏡子，其製造成本比用傳統方法製造的鏡子要低。

下一步，研究人員計劃應用更複雜的自適應控制來研究最終表面能被塑造得多好，以及能容忍多少初始變形。他們還計劃創建一個一米大小的沉積室，以更好地研究大規模主鏡的表面結構和包裝及展開過程。