一个多机构的研究小组已经开发出新的超材料瓷砖,这将有助于提高智利著名的西蒙斯天文台正在建造的望远镜的灵敏度。这些瓦片已被整合到接收器中,将于2022年部署在天文台。

联合研究小组开发新的超材料瓷砖 可提高天文望远镜灵敏度

西蒙斯天文台(Simons Observatory)是一项雄心勃勃的计划的中心,该计划利用世界上最大、最先进的地面望远镜,测量宇宙早期阶段遗留下来的宇宙微波背景电磁辐射。这些测量将有助于我们更好地理解宇宙是如何起源的,它是由什么组成的,以及它是如何演变成今天的样子的。


“西蒙斯天文台望远镜将使用一种新的超灵敏毫米波相机,以前所未有的灵敏度测量大爆炸的余辉。”宾夕法尼亚大学的首席作者徐志磊说我们开发了一种新的低成本吸收瓷砖,将用于相机中,以吸收环境排放物,这些排放物会模糊我们想要测量的信号。


在光学学会(OSA)的《应用光学》杂志上,研究人员指出,他们研制的超材料微波瓦吸收了99%以上的毫米波辐射,并在毫米波相机工作的极低温度下保持了吸收性能。


“因为这些瓷砖可以通过注塑商用材料制成,所以它们是一种经济、批量生产和易于安装的解决方案,可以解决长期存在的问题,借助这项技术,西蒙斯天文台将从许多方面改变我们对宇宙的认识,包括宇宙的起源、星系的形成和演化以及第一批恒星的点火。”

联合研究小组开发新的超材料瓷砖 可提高天文望远镜灵敏度

徐志磊将240块新的吸收瓷砖安装到一个光学管中,该光学管将用于西蒙斯天文台的大口径望远镜接收器


低温作业


地面毫米波望远镜使用冷却到低温的接收器来降低噪音,从而提高灵敏度。接收器技术已经发展到任何数量的杂散光都会降低图像质量,同时也会降低探测器的灵敏度。抑制接收器内杂散光的更好方法将进一步提高接收器对来自深空的微弱信号的灵敏度。


然而,开发一种能够在极低温度下工作时抑制杂散光的材料是相当具有挑战性的。以前的尝试导致材料要么不能有效地冷却到低温,要么不能实现低反射率和高吸收的必要结合。其他解决方案也往往难以安装或难以批量生产。


为了克服这些挑战,研究人员转向了超材料,因为它们可以被设计成在自然界中不存在的特殊性质。经过复杂的电磁模拟研究,研究人员设计了一种基于碳粒子和塑料相结合的材料的超材料。

联合研究小组开发新的超材料瓷砖 可提高天文望远镜灵敏度

研究人员开发了新的超材料瓷砖,通过吸收杂散光来提高西蒙斯天文台望远镜的灵敏度。左上角的照片显示了一块瓷砖,其防反射表面如插页所示。左下角的照片显示了瓷砖的背面,右下角的照片显示了安装在光学管壁上的240块瓷砖的组装


尽管塑料复合材料在所需的电磁光谱微波区域表现出很高的吸收率,但在其进入被吸收材料内部之前,其表面反射了大量的辐射。为了减少反射,研究人员添加了一种抗反射涂层,这种涂层是通过注射成型定制的。


“低反射表面与高吸收大块材料相结合,使得超材料吸收砖能够在接近绝对零度的低温条件下,对不需要的信号进行极好的抑制。”徐说。


在确保这种新型超材料制成的瓷砖能够机械地经受从室温到低温的热循环之后,研究人员验证了它们能够有效地冷却到-272℃(-458℉),然后测量了它们的光学性能。


负责这项研究光学测量的芝加哥大学研究生Grace Chesmore说:”我们开发了一个定制的测试设备,可以高保真地测量瓷砖的性能,测试表明,该超材料具有良好的低散射反射特性,几乎吸收了所有入射光子。”


随着毫米波望远镜探测器灵敏度的不断提高,控制散射光子变得至关重要,超材料和注塑制造的成功结合为毫米波仪器的科学设计开辟了许多可能性。


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