NAIR-APREXIS: Enabling photonics-based instruments for long-baseline interferometry and integral-field spectroscopy

长期以来，天文学家一直寻求用更锐利的眼睛来观察宇宙，不断挑战望远镜分辨率的极限。为了实现这一目标，他们经常将来自多台望远镜的光进行组合，这种技术被称为干涉测量术（interferometry），其作用类似于一面巨大的单一反射镜。然而，这种传统方法依赖于笨重的玻璃透镜和反射镜，它们不仅沉重、难以完美对准，而且在传输过程中容易损失光线。近年来，一种新的方法脱颖而出，它不再将光视为在大型表面上反射的光束，而是将其视为在直接刻蚀在玻璃中的微型微观通道中传输的信号。这一领域被称为天体光子学（astrophotonics），它有望将复杂的仪器缩小到芯片大小，从而提供更高的稳定性和精度。目前的挑战在于，证明这些精细的微观结构能够在真实天文台的严苛条件下生存，并能达到与那些庞大的传统设备相当的性能。

由 NAIR-APREXIS 项目的一支研究团队现已提供了令人信服的证据，证明这种微观方法已经准备好投入实战。他们成功构建并测试了几种新型仪器，使用的是一种称为超快激光刻蚀（ultrafast laser inscription）的技术，即利用强力激光直接在玻璃块内部“书写”出微小的导光路径。他们的工作表明，这些玻璃芯片不仅能以极高的精度结合来自遥远恒星的光，还能重新组织望远镜的光线，以绘制出行星和恒星的详细图谱。该团队已经在加利福尼亚州的实际望远镜上测试了这些设备，并正准备在 2027 年于智利测试一套新系统。这些测试表明，这些微型工具能够高效地捕捉微弱的星光，并保持长期的稳定性，为新一代紧凑型、高性能天文仪器的诞生铺平了道路。

该项目的第一个重大成功涉及一种旨在结合两台望远镜光线以测量恒星亮度及形状的设备。研究人员使用一种名为 Infrasil 的特殊玻璃制造了这一仪器，这种玻璃对用于研究空间中低温天体的红外光具有透明性。他们利用激光技术在玻璃内部刻蚀出一个微观通道网络，用于分裂和重新组合星光。当他们在加利福尼亚州的 CHARA Array（一个由六台望远镜组成的阵列）测试该设备时，结果令人印象深刻。该仪器表现出了极高的稳定性，在数小时的观测过程中始终保持性能。它能够以百分之一的精度测量恒星的干涉图样，而这一精度是进行严肃科学发现所必需的。更重要的是，该设备效率很高，允许超过 4on% 的星光通过到达探测器，并且无需额外的稳定设备即可探测到五等星的亮度。这一成功表明，一个小巧、坚固的玻璃块可以取代复杂、笨重的光学系统，同时提供更优越的稳定性。

除了单纯的组合光线，该团队还在开发能够将恒星或行星的模糊图像转化为详细的光谱和色彩图谱的工具，这种能力被称为积分场光谱技术（integral field spectroscopy）。为了实现这一目标，他们正在创造一种新型的光纤电缆，其中包含一百多个微小的核心，每个核心都作为一个独立的像素来捕捉来自天空不同部分的光。此类设计中的一个主要障碍是防止一个核心的光泄漏到相邻的核心中，否则会导致图像模糊。通过使用一种核心尺寸略有不同的异质化设计，研究人员成功地将这种泄漏抑制到了不到千分之一的水平。他们目前正在构建一个完整的系统，其中包括一个经激光刻蚀的设备，用于将这些核心重新排列成一排，并将其输入光谱仪。该系统计划于 2027 年在智利的一台望远镜上进行测试，旨在帮助天文学家探测并研究绕其他恒星运行的行星。

项目还探索了如何使仪器本身变得更加微型化和集成化。研究人员利用两光子聚合（two-photon polymerization）工艺，直接在光纤电缆的末端打印出微小的三维光学组件。这些组件充当微型光谱仪，将光线分解成不同的颜色，以分析天体的化学成分。每个设备的大小不到一毫米，却能在单一的固体材料内完成光的扩展、准直和色散。在实验室测试中，这些微型光谱仪达到了约 30 的分辨率（resolable power），这意味着它们可以区分非常接近的颜色，并且传输了超过 80% 的光线。这种集成水平表明，未来的仪器可能会非常轻巧，且无需对准，因为光学部件是永久融合在一起的。

另一项创新进展涉及创建用于测量望远镜视野质量的微型金字塔形传感器。传统上，这些金字塔由玻璃制成，需要昂贵且困难的抛光工艺才能获得完美的锐利边缘。该团队利用 3D 光学打印技术创建了这些仅几毫米宽的金字塔。他们的测量结果显示，这些打印出的金字塔其表面光滑度和边缘锐度可以媲美甚至超过传统制造的玻璃金字塔。由于它们体积如此之小，因此还引入了一种独特的滤波形式，这可能会改善天文学家测量大气湍流的方式。在自适应光学测试平台上的初步测试确认，这些打印传感器的工作符合预期，为未来望远镜开发更便宜、更多样化的波前传感器打开了大门。

该技术最显著的验证或许来自于一项针对安装在大型双眼望远镜（Large Binocular Telescope）上的传感器的长期研究。该传感器使用一圈微型打印透镜来辅助将光线聚焦进光纤，并在现实世界中运行了六年。在此期间，它经历了温度波动、湿度变化、震动以及望远镜的持续运动。尽管处于如此严苛的环境中，该传感器仍能完美运行，没有表现出性能退化或漂移的迹象。这六年的记录证明，这些 3D 打印的光学组件足够坚固，能够胜任天文台高强度环境下的长期作业。这证实了该技术不仅仅是实验室里的奇思妙想，而是未来天文仪器领域的一个可行方案，它为开发更小、更稳定且能够以前所未有的清晰度揭示宇宙的仪器提供了路径。