光子筛的第一次地面论证实验

有一种厨房小工具是用来筛选面粉和其他配料，这种工具就是筛子。这个灵感就被用来命名一个新的技术，通过这项技术将可以解决太阳色球层的组成成分。太阳色球层是位于光球层上方的不规则的大气层，和太阳耀斑爆发以及日冕物质抛射具有很大的联系。
Adrian Daw 和 Douglas Rabin 是美国宇航局戈达德空间飞行中心的科学家，他们和美国空军研究院(USAFA)以及空军附属机构的研究人员合作研究构建小型太阳天文台的装备——“光子筛”，一个8寸的衍射光学元件。这项技术的一个版本已经在地面测试中验证成功，将为它在2014年随小卫星Cubesat的升空铺平道路——这是空军支持的FalconSat-7任务的一部分。该任务将验证在空间展开此项新兴技术的可行性并为将来更大的太阳物理学项目铺平道路。

戈达德的科学家们设计并构建了这个地面实验板图像处理系统来验证这项被称为光子筛的新技术。这项技术将帮助科学家们更好地了解知之甚少的太阳色球层。(下图)

“日冕很复杂，虽然我们已经研究了很多年了。但更难理解的是那在日全食时看到的薄薄的粉红色的色球层，”Daw说。“我们现今还无法使用空间的或者地基的望远镜解决那些发生在空间尺度上的事物。”

尽管一架像哈勃空间望远镜那么大的望远镜就可以看到现今还未观测到的磁通量管和丝状等离子体，但是建造这么一架常规大口径太阳望远镜的成本将高的无法承当。Daw说：“光子筛将可以帮助我们克服这个障碍，并为获得高分辨率的图像提供了一条捷径”。

菲涅尔波带片的一种变形

这项可以用来从光线中提取出更详细的信息的技术就是菲涅尔波带片的一种变形，菲涅尔镜片使用光的衍射效应来聚焦光线而非折射或者反射。这种镜片由一组透明和不透明的同心环交互构成。光线射到镜片上环绕着不透明的区域衍射，这样光线就可以被精确的分布从而衍射光聚焦到预设的焦点上，而可以被相机成像。

筛子大体上也是这样的原理。光子筛的环上布满了成千上万的洞洞，就像厨房的筛子一样，每个洞的尺寸和位置都是设计好的，以使光线能够衍射到预计的焦点处。因为光子筛良好的设计，它能够在一个平面板上被仿造，大小也可以按比例增加——特别是使用聚酰亚胺薄膜，因为它能够承受极端的温度和震动所以被航天飞船和仪器的开发者们所热衷。

总而言之，这项技术最大的好处就是轻便，不像传统的玻璃那样需要完美的光学平面。实际上，传统玻璃表面的精度要求是光子筛的100倍以上——这就使得光子筛的创意能够成为快速部署的天基光学仪器。这对于空军来说很有吸引力。在现今的情报、监视、间谍卫星大量损失的时候，军方急需一款简单的系统来装备在小型的、便宜的卫星上，就像Cubesat一样。

这项技术是由德国基尔大学的教授Lutz Kipp在十多年前发明的，USAFA的激光与光学研究中心的研究人员已经试验过使用各种不同的材料来制造光子筛。USAFA的Geoff Andersen, Michael Dearborn和Geoff McHarg一开始试验了玻璃和镀铬石英，最后他们把目光聚焦到了轻便的聚酰亚胺薄膜。在实验室测试中，这种光子筛显示出了很好的可见光波段的窄带和宽带性能，特别是在H-alpha 波段，是理想的探测太阳色球结构的工具。

然而，他们所缺少的是需要用来评估光子筛性能的关于太阳物理和其他一些分析工具的经验。“他们已经在寻找更好的方式来验证他们的技术，”Daw 说：“想太阳这种明亮的目标是很容易用来检验图像技术的。他们联系了我们，看我们愿不愿意和他们合作。当然我们是愿意的。通过合作，我们双方的机构都能获得好处。”

戈达德对FalconSat-7计划的贡献

自从加入了这项牵涉到空军研究院和空军技术研究所的计划，戈达德空间飞行实验室已经为部署光子筛和维持薄膜在450公里高的轨道上保持相对的平整分析了需要的调整量。

Daw的团队还设计并建造了地基图像系统来验证光子筛的玻璃版。“我们第一次使用这个系统获得了太阳的图像，”Daw说。“实际上，这些图像是使用光子筛获得的第一批天体目标。”下一步他们将使用地基设备测试薄膜光子筛。

这个版本的光子筛在去年的夏天被用来采集了太阳的第一批图像。（下图）

“这两项成果——光子筛技术的地面验证和分析系统是部署薄膜光学设备的主要进展，”Daw说。因为这次的成功，他和他的团队将论证拓展光子筛的波段，使之拓展到远紫外波段，在这个波段上是太阳物理最活跃的领域。“这个技术将会更多地被太阳物理学应用,”Daw说。