雷射科技創造人造恆星

憑人類之力要創造一顆恆星,這還有一段非常遙遠的距離。但其相關技術已應用在今日的科學研究中。荷蘭的應用科學研究機構 TNO 為歐洲南天天文台 (ESO) 的超大型望遠鏡研發了一套光學系統-- 所謂的「光學望遠鏡組合安裝」 (OTA)--一套精密複雜的光學系統,用於生成人造恆星。其高精密的驅動系統由兩顆 maxon 無刷盤式馬達與配備螺桿和編碼器的行星式減速機組成,能確保雷射精確瞄準。

歐洲南天天文台(European Southern Observatory,簡稱 ESO)是全球科學研究中最成功的天文台。於 1962 年成立,目的在於天文學家與天文物理學家提供最先進的研究設施。歐洲天文學界中的旗艦設備是位於智利帕瑞納山的超大型望遠鏡。此處的環境為紅外線和可見光範圍內的觀測提供了最佳條件。這架超大型望遠鏡是世界上最先進的光學儀器,由四台 8.2 公尺口徑的望遠鏡(或稱「主鏡」)以及四台 1.8 公尺口徑的活動式導軌輔助望遠鏡組成。荷蘭的應用科學研究機構 TNO 為這架超大型望遠鏡研發了一套光學系統-- 所謂的「光學望遠鏡組合安裝」(OTA) --一套精密複雜的的光學系統,用於生成人造恆星。藉助這套系統,可將雷射束射向大氣層,以生成恆星。這架光學望遠鏡屬於「4 雷射導引星」(4LGSF) 的重要組成元素之一。這套設備採用適應性光學技術,因此應稱應性光學設備 (Adaptive Optics Facility),為全新一代天文望遠鏡,已被應用於超大望遠鏡中。其組成元件包括四台 20 瓦高功率雷射器,用於輔助 4 雷射導引星校正超大望遠鏡由於大氣亂流所引起的圖像畸變。此外,這套全新雷射系統還能使望遠鏡獲得更佳的視野。

一般來說,望遠鏡將天空中落於鏡片上的光線收集成束,然後將其焦聚於儀器中。在最新技術中,這些光束被反射至反方向。在此,望遠鏡的作用是將雷射束投射至天空,產生人造光點。雷射射束在高度約 90 公里的大氣層內與鈉原子層發生作用, 使鈉原子會發出光線。而這個過程必須在高度 90 公里處達到 45 mm 的精準度。這些以人工發亮的光點就是所謂的導引星,能降低科學家在進行週圍天文觀測時的難度。透過這些人工恆星,還能使超大型望遠鏡的清晰度更加提昇。


方位選擇裝置採用 maxon 驅動系統

「光學望遠鏡組合安裝」的結構包含一個 20 倍雷射束散光鏡以及一個主動式多方位鏡片,也就是方位選擇機構。這個機構與一個由膜片彈簧和支柱組成的架構相連結,因此可改變傾斜角度並擺動。方位選擇機構的鏡片直徑為 100 mm, 能夠圍繞兩根垂直軸,以與鏡片表面平行的方式轉動。(圖 2)方位選擇機構鏡片的轉動能促使天空中雷射束角度校準的反應不規則放慢。鏡片位置能自動適應,並且藉由高鋼性自鎖式調節裝置進行校準。為了達到所需的絕對精準度,採用感應器,能夠以基座為準來校準鏡片。
maxon motor 傳動系統能準確地傾斜和擺動方位選擇機構的鏡片,進而能夠為雷射射束進行精確的校準。

望遠鏡中每一個方位選擇機構單元皆配備兩個馬達。而對調節裝置來說,最具決定性的是其動態性能。目前市上僅有少數調節裝置具有此處所需的自鎖功能。因此,TNO 便以 maxon 標準心軸為基礎,同時結合行星式減速器和內建式滾珠螺桿,研發出一組高精度彈簧變速驅動。其作用方式請參見圖 3:馬達轉動時,螺母會擠壓一個軟彈簧。軟彈簧對與心軸支架相連的硬彈簧施加壓力。由於軟彈簧和硬彈簧之間的剛性比為 1.22,因此螺母的運動可引發鏡片進行一個小 22 倍的動作。透過這個原理,便可在方位選擇機構動態特性儘量不受限制的情況下,明顯提高解析度。由於方位選擇機構單元的高度限制,此處最適用的便是無刷盤式馬達。

第一架具有新式雷射技術的望遠鏡將於 2015 年裝設於智利帕瑞納天文臺。此外,歐洲南天天文台也計劃將這項技術應用於其他的望遠鏡中。目前正在開發中的全球最大的望遠鏡--歐洲極大望遠鏡--口徑將長達 40 公尺,用於觀測可見光和紅外線光,也將配備這項雷射技術。隨著科技的進步,未來人類必定能將星辰看的更清楚。

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