三十米望远镜国际天文台： Coherent的光学部件为望远镜带来光明的未来

一个具有颠覆性的创意

自从伽利略发明望远镜以来，天文学家们一直在寻求制造更大的仪器。 其中的缘由用一个简单的物理原理就可以说明。 随着望远镜越来越大，它生成的图像越来越亮，同时也会有越来越多的细节。 这使得望远镜能够观测到更深地宇宙。

也是来自美国、加拿大、日本、中国和印度携手合作打造三十米望远镜 (TMT) 的原因。 目前正在运行的超大型可见波长望远镜采用的是 10.4 米的镜子。 因此，30 米的仪器代表着成像能力向前迈进了一大步。

大型反射望远镜使用镜子（而不是透镜）作为它们的光学部件。 然而，使望远镜的镜子直径远超过约 8.5 米是不切实际的。 为了使用更大的镜子，主镜需要由小镜子拼接而成。 将这些单独的镜子塑造成六边形可以优化光学设计。 它允许在一个近似圆形的图形中将这些分割的小镜子彼此紧密地放置在一起。

虽然望远镜越大越好，但只有在光学部件具有极高的质量时，才能获得更好的图像质量。 具体而言，这要求镜子的整体形状完全符合设计要求，并且镜子的表面光滑且尺寸精确（就形状而言）到几纳米以内。

Coherent加入 TMT 项目

三十米望远镜的主镜将由 492 个独立的小镜子组成，每个镜子角到角的距离为 1.44 米。 主镜的整体形状是双曲线。 这意味着每个单独的镜子都是这种形状的离轴小镜子（所有 TMT 镜子共有 82 种不同的形状）。 这种形状称为“自由形状”。

全球仅有几家组织能够按 TMT 所需的精度制作直径超过一米的自由曲面 – 尤其是在大批量生产的情况下。 三十米望远镜国际天文台 (TIO) 选择了四个独立的团队（分别位于美国、日本、中国和印度）来制造这些光学部件。

Coherent（前身为 Tinsley Laboratories）被选为美国的供应商。 我们将总共生产 230 个小镜子 – 比任何其他团队都多。 Coherent还为在印度工作的团队建造了镜子抛光设备、夹具和测试设备。 印度工程师已经在Coherent接受了如何使用这些设备的培训。 此外，Coherent人员将随设备一起前往印度帮助进行安装和调试。

制造挑战

抛光米级高精度自由形状主要有两种方法。 对于明显偏离简单球面的形状，使用所谓的“子孔径”抛光。 采用此方法时，使用比光学部件小得多的抛光工具一次仅在一个区域工作，并重复该过程以覆盖整个孔径。

对于更接近球面的形状，可以使用一种称为“应力镜抛光”的巧妙方法（一种自 1960 年代以来在商业上用于非球面光学部件生产的技术），这种方法甚至还可以用于地面望远镜等大镜面。TIO 的一位发言人表示认可这种方法，并指出：“这种抛光方法源自凯克天文台双子望远镜。 使用这项技术能够在 TMT 的建造中改善其镜面形状，并保持抛光方法的效率，对此我们感到很自豪。” 在这种情况下，我们采用机械力夹紧光学部件，故意扭曲其表面。 然后使用标准方法对其进行抛光以塑造球面。 我们对 85% 的零件孔径都使用了这些抛光工具。 抛光后，松开夹具，零件恢复其所需的最终自由形状。

应力镜面抛光通常是制造大型光学部件更快、更可靠的方法。 它的速度更快，因为子孔径抛光方法一次只加工较小的零件区域，因此通常需要更多加工周期来覆盖整个表面。 此外，子孔径抛光不可避免地会在表面产生小范围的波纹或表面残留物。 要获得高性能光学部件，必须去除它们，而这可能需要执行更多耗时的步骤。 应力镜面抛光方法通常更加可靠，因为它基于本质上可产生近乎完美的平面或球形的技术。

当然，应力镜面抛光需要精密工具，以通过准确施加合适的力来扭曲基板。 由于Coherent正在制造 32 种不同的镜子形状或类型，因此，制造这种工具可能会占用大量的生产时间。 为避免这种情况，Coherent开发了一种可以编程的工具，以提供抛光 TMT 镜面的各种形状所需的力模式。

与Coherent合作

“我们从一开始就将Coherent视为潜在的供应商，因为他们在大型光学部件制造方面拥有丰富的经验和良好的信誉，”TIO 的首席光学部件制造工程师 Glen Cole 指出。 “他们成功完成了哈勃太空望远镜的几个项目，尤为知名的是修正了其中存在缺陷的主镜的 COSTAR 光学系统。 最近，他们为詹姆斯·韦伯太空望远镜制造了全部 18 个 1.4 米铍主镜的小镜子。”

“但我们还需要一个技术转让合作伙伴。 也就是说，我们需要可以让印度团队启动并运作起来的合作伙伴。 选择Coherent的一个重要因素是他们支持这项工作的能力。 他们迄今为止取得的成功告诉我们，我们做出了一个正确的选择。”

“在 2017 年，当我们第一次与Coherent签订合同时，我们无法预料到全球会爆发 COVID-19 疫情，”Cole 补充道。 “这延缓了我们的各项工作，并开始大幅推迟项目时间表。 但Coherent为我们的项目投入了大量工程资源，并且还专门建造了一个更大的设施来处理 TMT 小镜子的大批量生产。 这使他们能够帮助我们在解除封控状态时保持发展势头。 此外，在解决问题或处理出现的任何制造问题方面，他们也展示出了惊人的能力。 这得益于他们在制造大型精密光学部件方面的丰富经验。”

我们在抛光最初的几个小镜子（因其呈圆形而称为“小圆盘”）方面取得了初步成功，这使 TIO 在 2020 年与我们签订了另一份合同，涉及将我们生产的所有小圆盘切割成最终的六角形（这个过程称为“六边形切割”）。

TMT 是一个大项目，面临着许多令人兴奋的挑战。 根据詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 已经传回的非凡图像，我们预计在 TMT 的采集面积超过 JWST 采集面积 20 倍的情况下，TMT 将带来令人惊叹的科学图像。 

在此处详细了解三十米望远镜 (TMT)。

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