研究人员开发了一种使用飞秒激光脉冲制造高性能X射线望远镜所需的高精度超薄反射镜的新方法。该技术可以帮助改进用于捕捉与形成新恒星和超大质量黑洞有关的高能宇宙事件的天基X射线望远镜。

“探测宇宙X射线是我们探索宇宙的关键部分，它揭示了渗透到我们宇宙中但在其他波段中无法观测到的高能事件，”在麻省理工学院卡夫利分校进行这项研究的研究小组组长HengZuo说天体物理和空间研究所，现在在新墨西哥大学。“我们小组开发的技术将帮助望远镜获得清晰的天文X射线图像，可以回答许多有趣的科学问题。”

X射线望远镜在地球大气层上方运行，包含数千个薄镜子，每个镜子都必须具有精确弯曲的形状，并与所有其他镜子仔细对齐。在Optica中，研究人员描述了他们如何使用飞秒激光微加工将这些超薄反射镜弯曲成精确的形状，并纠正制造过程中可能出现的错误。

“制造具有精确形状的超薄镜子很困难，因为制造过程往往会严重弯曲薄材料，”左说。“此外，望远镜镜面通常经过镀膜以增加反射率，而这些镀膜通常会使镜面进一步变形。我们的技术可以解决这两个挑战。”

精密折弯

随着新的任务概念不断突破X射线成像的极限，需要新的方法来制造用于望远镜的超精密和高性能X射线反射镜。例如，NASA的LynxX射线测量器概念将拥有有史以来最强大的X射线光学器件，并且需要制造大量的超高分辨率反射镜。

为了满足这一需求，Zuo的研究小组将飞秒激光微加工与先前开发的称为基于应力的图形校正技术相结合。基于应力的图形校正利用薄反射镜的可弯曲性，通过在反射镜基板上应用可变形薄膜来调整其应力状态并诱导受控弯曲。

该技术包括选择性地去除生长在平面镜背面的应力膜区域。研究人员选择飞秒激光器来实现这一目标，因为这些激光器产生的脉冲可以产生极其精确的孔、通道和标记，而附带损害很小。

此外，与传统方法相比，这些激光器的高重复率允许更快的加工速度和产量。这有助于加快下一代X射线望远镜所需的大量超薄镜面的制造。

映射应力

为了实施这种新方法，研究人员首先必须准确确定激光微加工如何改变镜子的表面曲率和应力状态。然后他们测量了初始镜面形状并创建了创建所需形状所需的应力校正图。他们还开发了一种多通道校正方案，该方案使用反馈回路反复减少错误，直到获得可接受的镜面轮廓。

“我们的实验结果表明，周期性孔的图案化去除会导致等双轴(碗形)应力状态，而周期性凹槽的细间距定向去除会产生非等双轴(薯片形)应力分量，”Zuo说。

“将这两个特征与槽方向的适当旋转相结合，我们可以创建各种应力状态，原则上，这些应力状态可用于纠正镜子中的任何类型的错误。”

在这项工作中，研究人员展示了使用规则图案在平面硅晶片上的新技术。为了校正在两个方向上弯曲的真实X射线天文望远镜反射镜，研究人员正在开发一种更复杂的光学装置，用于基板的3D运动。