科学家们用氧化铝制造了一种新型的光学设备

江苏激光联盟导读：

据悉，科学家们用氧化铝制造了一种新型的光学设备。

来自Kavli宇宙物理和数学研究所和明尼苏达大学的科学家们Tomotake Matsumura和Shaul Hanany，以及他们的合作者们，已经研制出了一种新型的光学元件，它将提高研究大爆炸辐射的望远镜的性能。

原理图，展示了研究人员如何使用由脉冲激光过程产生的蛾眼结构的红外反射滤波器来研究早期宇宙的辐射。来源：NASA, ESA, M. Postman (STScI), and the CLASH Team / NRAO, AUI, NSF /modified by Kavli IPMU

宇宙微波背景（CMB）是大爆炸遗留下来的辐射残留物。它在宇宙诞生140亿年后到达了我们的望远镜。通过研究这种辐射的性质，科学家们推断出大爆炸的物理过程，星系团是如何形成的，以及宇宙中的物质和能量含量。过去对CMB的研究获得了四项诺贝尔奖。

为了研究CMB，望远镜必须调整到最强烈的波长，大约1-3毫米，并且必须分离出大气和银河系发射的短波辐射。吸收短波辐射但让CMB通过的最有效的光学元件是氧化铝，一种由铝和氧制成的材料，其硬度仅次于金刚石。使用氧化铝的一个挑战是，它还反射了近50%的辐射。Matsumura和Hanany现在提出了一种新方法来制造抗反射结构，这种结构可以将反射降低50倍。

制作的滤波器一侧的图像。另一边是相同的。(a)整个滤镜的照片。这把尺的刻度可达300毫米。(b)扩大面积。(c) SWS共聚焦显微镜扫描效图。来源：Takaku 等

研究人员与宾夕法尼亚大学的Mark Devlin和Simon Dicker合作，他们正在操作MUSTANG2仪器，该仪器与弗吉尼亚州的Green Bank望远镜相连。Hanany和Matsumura为MUSTANG2团队提供了一种具有新型抗反射结构的氧化铝短波吸收器。“野马2号”目前正在使用这项新技术进行天空观测，首次展示了它的成功。

MUSTANG2过滤器为非偏振光的透射谱(上部面板,蓝点),s -和p-polarized光(分别为较低的面板,红色和绿色的点),和RCWA预测传输给每一方的平均形状数据如表2中提供(上部面板,坚实的青色,和较低的面板坚实的红色和绿色)。频带内(白色区域)的平均传输率为98%。请注意，这两个面板的垂直跨度不同，它们提供了总体性能视图和数据与RCWA预测之间一致的细节。来源：Takaku 等

研究人员用一毫米高(0.04英寸)的小金字塔结构设计氧化铝，并以不到一毫米的周期在30厘米(一英尺)的直径上重复。人们早就知道，在材料表面结合这种结构可以减少反射。在小金字塔中，光线进入和离开材料的过程更加缓慢，导致了更低的反射。Matsumura和Hanany的创新之处在于他们设计氧化铝的方式，这种方式很难用标准工具加工。他们使用超短脉冲激光，脉冲长度为万亿分之一秒，每次达到100兆瓦，来烧蚀材料，并使表面浮雕达到最佳的抗反射形状。在大约四天的时间里，激光加工过程在氧化铝圆盘的两侧制造出了32万个金字塔。研究人员测量了氧化铝样品的性质，发现它反射的入射辐射不到1%。这是第一次制造出这样的光学元件并耦合到操作仪器上，这也是激光烧蚀的最大的氧化铝样品。

MUSTANG2滤波器的示意图，带有关键尺寸和测量区域的定义(黄色圆圈)。通过平铺两种类型的正方形子区域，在284 mm直径的光活性区域(红色虚线圈)上制作了SWS。一个侧面为9.24毫米，12×12金字塔(黑色方块)，另一个侧面为4.62毫米，6×6金字塔(边缘为蓝色方块)。试样外径为302 mm(红色实心圆)。共聚焦显微镜的形状测量分别在2-5区域的90个金字塔和1个顶部和1个底部的190个金字塔进行。烧蚀前(后)样品的毫米波透射测量通过5(6)个区域进行:位置1-5(位置2-5和位置1顶部和底部)。

这一创新将导致更有效的仪器追溯过去，揭示大爆炸的物理过程和整个宇宙的进化过程。

来源：A Large Diameter Millimeter-Wave Low-Pass Filter Made of Aluminawith Laser Ablated Anti-Reflection Coating, Optics Express (2021). DOI:10.1364/OE.444848