NASA開(kāi)發(fā)可觀測(cè)宇宙形成和結(jié)構(gòu)的新型探測(cè)器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）正在開(kāi)發(fā)一款可觀測(cè)宇宙形成和結(jié)構(gòu)的新型探測(cè)器。宇宙中眾多輻射與機(jī)械相互作用，塑造了星系的星際介質(zhì)并推動(dòng)著星系演化（如恒星風(fēng)和噴射流的沖擊波、超新星爆炸等）；這種相互作用可在4.744太赫茲（THz）氧氣吸收譜線下獲得最佳觀測(cè)。然而，以往很少對(duì)該譜線進(jìn)行觀測(cè)，這是由于4.744太赫茲頻率超出了大多數(shù)現(xiàn)有外差接收器（heterodyne receiver）中運(yùn)行的本地振蕩器（local oscillator，LO）的靈敏度范圍，不足以支持這樣的觀測(cè)。由NASA資助的來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的團(tuán)隊(duì)正在努力推進(jìn)該技術(shù)，使未來(lái)的NASA任務(wù)包含可觀測(cè)這一重要譜線的接收器。

（a）圖為三階DFB激光器金線陣列與電子芯片連接；

（b）圖為DFB三聯(lián)體組合陣列的照片；

（c）DFB器件的電子顯微鏡掃描圖像顯示出三組陣列；

（d）三聯(lián)體輻射剖面的示意圖

（圖片來(lái)源：NASA）外差探測(cè)（Heterodyne detection）是將入射光信號(hào)與本地振蕩器（LO）的參考光進(jìn)行比較。

該項(xiàng)目的主要挑戰(zhàn)是：將本地振蕩器的輸出功率從目前小于1mW的水平提升至5mW，將工作溫度從實(shí)驗(yàn)的10K提升至40K（該溫度為天基或亞軌道天文臺(tái)的可適應(yīng)溫度）。如圖，左側(cè)的大型電路板采用了以前的ASIC設(shè)計(jì)；其中三個(gè)矩形段提供了可支持4個(gè)20MHz信道的三個(gè)天線輸入端，且僅需約5W的能耗；右側(cè)是新型ASIC芯片。通過(guò)添加一些如連接器等小元件，它將提供相當(dāng)于12個(gè)40MHz信道的三天線輸入，且僅需1W的能耗。

NASA的《2017 SMD Technology Highlights Report》報(bào)告中表示，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)基于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（THz QCL）的本地振蕩器，該振蕩器可以泵出七元素外差接收器陣列。這些本地振蕩器必須發(fā)射具有良好光譜純度的單頻輻射（4.7太赫茲的窄線寬小于1MHz，），而該單頻輻射只能通過(guò)分布反饋（Distributed-FeedBack，DFB）光柵結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。于是研究團(tuán)隊(duì)考察了三種不同的DFB結(jié)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)接收器中的潛在應(yīng)用，并選擇了最佳方案：具有高輸出功率水平的單向波束模式（光束僅向前輻射）。

能夠觀測(cè)4.744太赫茲頻率的接收器陣列，將為廣闊的銀河系和銀河系外環(huán)境中的恒星與氣體間的相互關(guān)系提供新穎獨(dú)特的視角。NASA計(jì)劃在未來(lái)的GUSTO（即為“銀河系/銀河系外的超長(zhǎng)飛行時(shí)間氣球光譜太赫茲天文臺(tái)”的縮寫(xiě)）任務(wù)中部署使用該技術(shù)的接收器，這也是計(jì)劃2021年發(fā)射的長(zhǎng)時(shí)間飛行氣球（Long Duration Balloon，LDB）搭載目標(biāo)。該技術(shù)還可能應(yīng)用于未來(lái)的單孔徑遠(yuǎn)紅外天文臺(tái)（Aperture Far-Infrared Observatory，SAFIR）任務(wù)，該大型低溫太空望遠(yuǎn)鏡也被認(rèn)為是斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope，SST）和赫歇爾空間天文臺(tái)（Herschel Space Observatory）的延續(xù)。

除天體物理學(xué)領(lǐng)域外，太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器還將廣泛用于安全、生物化學(xué)傳感和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。不久的將來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)將開(kāi)發(fā)可用于GUSTO等亞軌道任務(wù)的可升空本地振蕩器。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)工作將涉及到為像SAFIR這樣的為天基天文臺(tái)而開(kāi)發(fā)的本地振蕩器，這意味著將包括性能要求更高的器件。