据中国激光杂志社网，于2024年01月02日报道，   欧洲航天局计划于 2027 年发射一项卫星任务，其核心目的是深入分析地球的热量收支，从而为全球变暖和地球气候系统的理解提供新的视角。为了实现这一目标，来自德国弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所（IOF）和耶拿弗里德里希-席勒大学应用物理研究所（IAP）的研究团队合作研发了一种钻石结构的卫星光谱仪分束器，能实现在远红外范围内进行精确光谱测量。目前，这一任务的首批飞行硬件已经完成并交付。

        近年来，地球气候的变化日益显著，研究人员指出，2018 年和 2022 年成为有记录以来最温暖的年份之一。在全球变暖研究中，一个关键且复杂的问题是理解地球向太空辐射热量的机制，这一过程对于揭示气候变化的深层次原因至关重要。

       为了深入探索和理解这些复杂的气候机制，欧洲航天局的FORUM——一支运行在太空中的高精度温度计，致力于精确记录地球辐射收支的详细情况，达到地方层面的精准度。光谱仪作为卫星上的温度计，能在远红外光谱上记录地球在 10 ~ 100 μm 波段的热辐射，而其中的关键部件就是分束器。

       刻蚀钻石结构

       研究团队采用了一种独特的工艺，将微观金字塔结构刻蚀到钻石中，开发并制造了一种创新的钻石微观结构，用于在远红外光谱范围内进行高精度测量。

        IOF 微观和纳米结构光学系的主任 Falk Eilenberger 博士解释道：“为了确保 FORUM 卫星能够在极端的光谱范围内进行记录，我们需要一种允许整个光谱范围内的光透过的分束器。在所有的光学材料中，只有钻石具备这一独特的特性。”因此，研究团队选用了一块尺寸为43 mm×64 mm（信用卡大小）的钻石（图2），其一面闪亮的表面起到了分束器的作用。Falk Eilenberger 博士补充道：“我们面临的挑战是如何让钻石的另一面也能够抗反射。”

         研究团队发现，传统用于眼镜镜片等的抗反射工艺并不适用于此类应用，因为这些工艺依赖于多层不同材料的组合，而这些材料在整个光谱范围内的透光性不佳。因此，他们开发出了一种特殊的蚀刻技术，以在钻石上精确地创建所需结构。

       灵感来自大自然：类比飞蛾的眼睛

       在开发这一创新技术的过程中，研究团队从大自然中寻找灵感，特别是从飞蛾的眼睛中汲取了重要的启示。Falk Eilenberger 博士指出：“飞蛾的眼睛在很宽的光谱范围内都具有抗反射特性，这主要得益于其表面的微小金字塔结构。实际上，几年前我们就已经成功地将这种自然界的设计原理应用于可见光的光学器件。”

       Falk Eilenberger 进一步阐释：“FORUM 任务的应用要求极为严格，特别是在钻石的构建方面。我们需要的是形状极为精确的微小金字塔结构，以适应极端的光谱范围。这正是我们必须开发一种新型蚀刻工艺的原因。”

        在这个过程中，研究人员依靠反应离子蚀刻工艺，辅以电子束光刻掩模技术，成功实现了这一目标。得益于超过 7 μm的结构深度和精确定义的坡度，他们最终实现了超过 96% 的抗反射效果。图3展示了弗劳恩霍夫 IOF 的研究人员通过扫描电镜观察钻石结构。

        Falk Eilenberger 博士特别强调了来自耶拿弗里德里希-席勒大学应用物理研究所的团队在这一项目中的重要贡献：“如果没有他们的出色合作和 IAP 所开发的先进蚀刻技术，我们的钻石结构就不可能取得如此成功的成果。”

        钻石是光子学的“最佳伙伴”

        对于 Falk Eilenberger 和他的团队来说，这一发展显示了钻石作为光学材料的巨大潜力。Falk Eilenberger 博士表示：“这个项目充分证明了，借助纳米级结构，我们才能真正挖掘钻石作为光学材料的潜力。希望通过这个项目展示，纳米结构化的金刚石将成为未来极端条件下光学应用的关键材料。我们的工艺能够有效地塑造未来，包括金刚石元光学、晶圆级金刚石磁场传感器、共振金刚石镜等多种应用。可以说，钻石是光子学领域的最佳伙伴。”

         据悉，由IOF和IAP的工作人员组成的研究团队花四年时间开发这种新型钻石结构的卫星光谱仪分束器，并已于2023年12月移交给德国OHB公司。

         在欧空局的FORUM任务为气候变化研究开发创新钻石结构技术的同时，我国在“风云卫星”项目中也展现了光学技术的卓越应用，证明了在空间科学和环境监测领域的全球科技实力。为充分搭建基础研究和应用需求的桥梁，推进基础研究的深度发展，《光学学报》空间、大气、海洋与环境光学（SAME）专题刊计划于2024年6月（第44卷第12期）推出“风云卫星’光学技术与应用”专题。该专题将以风云光学为轴线，梳理和展望“风云卫星”中的光学设计与工程研制、性能测试与评估、遥感数据处理及地球科学的定量应用，全面介绍风云卫星光学领域的技术引领性。

       专题包含特邀综述和原创性研究论文。现特向广大专家学者征集“‘风云卫星’光学技术与应用”方面的原创性研究论文（暂不接受自由来稿综述）。

        征稿范围：

        包括但不限于“风云卫星”光学载荷设计与创新、“风云卫星”光学仪器核心技术、“风云卫星”光学仪器测试与性能评估、“风云卫星”光学遥感数据处理与应用。

       截稿日期： 2024年2月29日

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