NASA开发可观测宇宙形成和结构的新型探测器

据麦姆斯咨询报道，美国国家航空航天局（NASA）正在开发一款可观测宇宙形成和结构的新型探测器。宇宙中众多辐射与机械相互作用，塑造了星系的星际介质并推动着星系演化（如恒星风和喷射流的冲击波、超新星爆炸等）；这种相互作用可在4.744太赫兹（THz）氧气吸收谱线下获得最佳观测。然而，以往很少对该谱线进行观测，这是由于4.744太赫兹频率超出了大多数现有外差接收器（heterodyne receiver）中运行的本地振荡器（local oscillator，LO）的灵敏度范围，不足以支持这样的观测。由NASA资助的来自麻省理工学院（MIT）的团队正在努力推进该技术，使未来的NASA任务包含可观测这一重要谱线的接收器。

（a）图为三阶DFB激光器金线阵列与电子芯片连接；

（b）图为DFB三联体组合阵列的照片；

（c）DFB器件的电子显微镜扫描图像显示出三组阵列；

（d）三联体辐射剖面的示意图

（图片来源：NASA）外差探测（Heterodyne detection）是将入射光信号与本地振荡器（LO）的参考光进行比较。

该项目的主要挑战是：将本地振荡器的输出功率从目前小于1mW的水平提升至5mW，将工作温度从实验的10K提升至40K（该温度为天基或亚轨道天文台的可适应温度）。如图，左侧的大型电路板采用了以前的ASIC设计；其中三个矩形段提供了可支持4个20MHz信道的三个天线输入端，且仅需约5W的能耗；右侧是新型ASIC芯片。通过添加一些如连接器等小元件，它将提供相当于12个40MHz信道的三天线输入，且仅需1W的能耗。

NASA的《2017 SMD Technology Highlights Report》报告中表示，项目团队正在开发基于太赫兹量子级联激光器（THz QCL）的本地振荡器，该振荡器可以泵出七元素外差接收器阵列。这些本地振荡器必须发射具有良好光谱纯度的单频辐射（4.7太赫兹的窄线宽小于1MHz，），而该单频辐射只能通过分布反馈（Distributed-FeedBack，DFB）光栅结构来实现。于是研究团队考察了三种不同的DFB结构，以便实现接收器中的潜在应用，并选择了最佳方案：具有高输出功率水平的单向波束模式（光束仅向前辐射）。

能够观测4.744太赫兹频率的接收器阵列，将为广阔的银河系和银河系外环境中的恒星与气体间的相互关系提供新颖独特的视角。NASA计划在未来的GUSTO（即为“银河系/银河系外的超长飞行时间气球光谱太赫兹天文台”的缩写）任务中部署使用该技术的接收器，这也是计划2021年发射的长时间飞行气球（Long Duration Balloon，LDB）搭载目标。该技术还可能应用于未来的单孔径远红外天文台（Aperture Far-Infrared Observatory，SAFIR）任务，该大型低温太空望远镜也被认为是斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope，SST）和赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory）的延续。

除天体物理学领域外，太赫兹量子级联激光器还将广泛用于安全、生物化学传感和生物医学成像等领域。不久的将来，该研究团队将开发可用于GUSTO等亚轨道任务的可升空本地振荡器。从长远来看，这项工作将涉及到为像SAFIR这样的为天基天文台而开发的本地振荡器，这意味着将包括性能要求更高的器件。