MEMS形变镜：寻找Earth2.0的关键技术
引言
在我们银河系广阔的空间中，科学家们相信存在数百万颗等待发现的类地行星。这些可能支持生命的遥远世界，由于一个基本的天文学挑战而隐藏在我们的视线之外：行星所围绕恒星的压倒性亮度。为了更好地理解这一挑战，一颗地球大小的行星比其宿主恒星暗约100亿倍——这一对比度超出了当前成像技术的能力范围。
寻找这些"地球2.0"行星需要天文仪器的革命性进步，其中形变镜技术尤为重要。这些复杂的设备与太空望远镜结合使用时，可能使科学家们达到直接成像宜居系外行星所需的非凡对比度。在正在开发的各种形变镜中，基于微机电系统(MEMS)的形变镜对未来以太空为基础的寻星任务显示出特别的潜力。观测类地系外行星的挑战
系外行星的直接成像是现代天文学中最具挑战性的工作之一。与其他行星探测方法(如凌星光度测量法或径向速度测量法)不同，直接成像允许天文学家研究来自行星本身的光，潜在地揭示其大气和表面状况的细节。然而，现有技术只能成像比宿主恒星暗1000万倍的行星——距离类地世界所需的100亿对比度还有很大差距。
减少恒星亮度的主要工具是恒星日冕仪，它作为内部遮挡物阻挡不需要的恒星光。但是，仅靠日冕仪无法达到成像类地行星所需的极端对比度。这正是形变镜发挥作用的地方，与日冕仪协同工作进一步抑制恒星光并增强微弱行星伴星的可见度。
形变镜放置在日冕仪后面，表面下有数百个可移动的执行器。这些执行器可以以纳米级精度调整镜面形状，校正光学不完美和大气干扰，否则这些因素会限制对比度。当与检测入射光不规则性的波前传感器配对时，形变镜可以持续微调其表面以维持最佳成像条件。MEMS形变镜：一项有潜力的技术
在各种制作形变镜的技术中，微机电系统(MEMS)对于太空应用特别有希望。MEMS形变镜在微米尺度上集成电子组件和机械元件，创造紧凑但功能强大的设备。图1：一个2000执行器MEMS形变镜与硬币对比以示比例，说明这种先进技术小到可以放在手掌中。
波士顿微机械公司(Boston Micromachines Corporation)自1999年在NASA小企业技术转让计划下开始工作以来，一直处于开发用于天文应用的MEMS形变镜的前沿。过去二十年来，该公司的镜面已经为多次系外行星发现作出贡献，并继续推进最先进技术。
MEMS形变镜分为两大类：接触式和非接触式。波士顿微机械公司专门研究非接触式MEMS形变镜，利用镜面与下层电极之间的静电力来实现变形。这种非接触方法比接触式替代方案具有多项优势，包括对温度和湿度变化的敏感度降低——这对于太空应用至是一个关键因素。
与其他形变镜技术相比，MEMS设备提供几个引人注目的优势：
[*]紧凑尺寸和低重量，对于每克重量都很重要的太空望远镜来说必不可少
[*]快速响应时间，允许对变化条件进行快速调整
[*]在长期反复使用中证明了耐用性
[*]出色的可扩展性，便于创建具有更多执行器的更大阵列
图2：此图显示安装在昴星团望远镜上的2000执行器MEMS形变镜，展示了这项技术在天文观测中的实际应用。宜居世界天文台：寻找地球2.0
2020年美国国家科学、工程和医学院天文学和天体物理学十年调查建议开发专门设计用于寻找宜居系外行星的太空望远镜。这个名为宜居世界天文台(HWO)的任务已由NASA接手，代表人类首次专门尝试寻找可能容纳生命的类地世界。
为了使HWO成功成像类地行星，需要能够达到百亿分之一对比度的形变镜。据NASA艾姆斯研究中心的研究科学家Eduardo Bendek表示："形变镜是最关键的组件。形变镜需要以难以置信的精度水平运行才能看到小行星。"
目前天文学使用的最大MEMS形变镜是双子星天文台的双子星行星成像仪使用的一英寸见方、4096执行器设备。然而，科学家估计HWO将需要约10000个执行器的形变镜才能达到成像类地系外行星所需的对比度。扩大MEMS技术规模的挑战
尽管MEMS形变镜具有诸多优势，但在能够用于成像类地行星之前必须克服两个重大障碍：尺寸和表面质量。
尺寸挑战看起来相对直接。正如波士顿微机械公司总裁兼首席执行官Paul Bierden解释的那样："由于我们的设备是在半导体制造过程中制造的，我们可以复制这些模式然后在两个维度上扩大以获得更多数量的执行器。因此，10000执行器设备与140执行器设备使用相同的工艺完成。"图3：此图说明了MEMS形变镜的内部结构，显示小柱将镜面(黄色)连接到下方的静电执行器。
然而，表面质量挑战提出了更艰巨的障碍。用于创建MEMS形变镜的半导体制造过程涉及沉积、图案化和蚀刻硅层。这个过程由于下层的影响在镜面上创建了细微的绗缝图案。虽然这些表面变化仅在纳米级别，但当尝试达到成像类地行星所需的百亿分之一对比度时，变成了显着的限制。
正如Bierden所指出的："对于除了试图达到百亿分之一对比度的人之外的所有人来说，我们制造的被认为是非常好的光学器件。世界上很少有人需要亚纳米表面图形误差。"
为了解决这些表面质量问题，波士顿微机械公司正在探索流体流动物理学和硅沉积方法的新技术。该公司相信他们将在2029年为HWO选择最终设计之前解决这些问题。在太空中测试MEMS形变镜
虽然在地球上继续努力改进MEMS形变镜技术，但已经有几个项目在太空中测试了这些设备，以确保能够承受发射条件并在太空环境中正常运行。
2015年，首次完整MEMS形变镜的太空飞行发生在探空火箭上。尽管该设备在太空中只停留了几分钟，但飞行证明MEMS形变镜可以在太空环境中运行，并能够承受探空火箭发射的剧烈振动，实际上这些振动比大型火箭发射期间经历的振动更为严重。
2020年进行了更为延长的测试，名为形变镜演示任务(DeMi)的DARPA资助立方体卫星花了18个月在太空中测试邮票大小的MEMS形变镜。虽然地面通信系统的问题阻碍了完整测试，但任务能够使用内部激光验证镜面可以迭代地纠正光线变化。图4：此图显示了在麻省理工学院航空航天系主导的DeMi(形变镜演示任务)立方体卫星项目中使用的形变镜。
"我们的目标是达到100纳米以下的光学质量，我们超过了这个目标，"亚利桑那大学的天文学家和助理教授Ewan Douglas说，他曾在麻省理工学院担任DeMi的有效载荷工程师和项目科学家。"对于立方体卫星来说这相当显着，因为立方体卫星的成功率不是很高。"
虽然DeMi达到的100纳米光学质量对于立方体卫星来说令人印象深刻，但HWO将需要能够达到0.01纳米精度的镜面——精度提高1万倍。为了在不承担太空发射的费用和复杂性的情况下进行进一步测试，亚利桑那大学建造了一个真空测试台，允许研究人员更准确地模拟太空条件。
Douglas注意到在真空测试中观察到的一个有趣现象："在真空中会出现一些有趣的效果，因为没有空气减弱镜面的运动。当镜面推向真空时，共振会更多一些。"HWO形变镜的竞争
MEMS形变镜并不是HWO考虑的唯一技术。NASA还在评估使用压电材料的电致伸缩设计和由磁线圈驱动的电磁镜。每种技术都有其优势和局限性，研究团队正在努力证明各自的方法能够满足成像类地行星的严格要求。
"NASA最大的利益是有几种选择，以确保最终得到最好的技术，"Bierden解释道。"我们非常有信心，经过这四年的验证[我们的MEMS形变镜]，我们将有明显最佳的技术。"
NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜(计划于2027年发射)也进行了类似的竞争。虽然MEMS形变镜入选了该任务的候选名单，但最终选择了由AOA Xinetics开发的电致伸缩设计。当时，MEMS技术面临着表面质量和振动测试的挑战。
2021年的一篇论文中，科学家报告一个MEMS形变镜未能通过振动测试，几个执行器在经历类似发射的条件后显示异常。研究人员怀疑在实验室之间运输过程中积累的灰尘颗粒可能通过创建短路损害了设备。
"MEMS是微观设备，所以如果有灰尘颗粒，就可能落在系统的不同部位并创建短路，"Bendek解释道。
2023年的后续测试使用了一个在更受控制的清洁环境中维护的更大MEMS形变镜。尽管比先前测试的模型有更多的连接器、线路和执行器，但这面镜子"完美"通过了振动测试，这表明适当的处理和环境控制可以解决可靠性问题。通往地球2.0成像的道路
直接成像类地系外行星的旅程漫长而充满挑战，需要技术的空前进步。虽然MEMS形变镜尚未达到这项任务所需的非凡性能水平，但通过学术界、政府和产业界的合作努力，技术继续进步。
"所有证据似乎都表明这是一项适合太空的好技术，"Douglas观察到。"一切似乎都指向它是高对比度成像的可行技术。需要做更多工作来证明我们能够满足成像类地系外行星的极端要求。"
随着研究人员努力克服MEMS形变镜技术的剩余障碍，创造工具使人类能够发现和研究类似于地球的遥远世界的目标越来越近。地球2.0的发现不仅将是一项卓越的科学成就，也是我们理解在宇宙中的位置以及宜居世界潜在普遍性的重要里程碑。
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