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Cómo las cuadernos Multicapas Mejoran el rendimiento de los equipos de telescopio
La astronomía moderna se basa en telescopios que pueden capturar la luz más débil de galaxias distantes, resolver los detalles planetarios finos, y sondear los primeros momentos del universo. Durante el siglo pasado, una revolución tranquila en la ingeniería óptica ha sido el desarrollo de revestimientos multicapa para espejos y lentes. Estos instrumentos de carga fina diseñados precisamente mejoran la reflectividad, reducen la luz perdida, mejoran el contraste y protegen las ópticas sensibles de los equipos de aficios.
¿Qué son las cunas de Multilayer?
Los revestimientos multicapas son pilas de películas delgadas, cada una con un espesor cuidadosamente elegido y un índice refractivo, depositado en un sustrato óptico. Por ingeniería la interferencia de la luz reflejada de cada capa, estos revestimientos pueden alcanzar propiedades mucho más allá de lo que un solo material puede ofrecer. Para las ópticas, la aplicación más importante es mejorar la reflectividad sobre una gama de longitud de onda específica, a menudo las observaciones ultravioletas, visibles y cercanas.
El principio subyacente es interferencia de suciedad. Cuando la luz encuentra un límite entre dos materiales con diferentes índices refractivos, parte de él se refleja. Colocando múltiples capas con índices de alta y baja refractura, las reflexiones de cada interfaz se pueden hacer para añadir de forma constructiva la onda (aumentar la reflectividad total) o destructiva (crear el espesor de la fracción estrecha
Diseño y materiales
Los diseños de revestimiento típicos utilizan capas alternas de materiales de alto índice (por ejemplo, dióxido de titanio, dióxido de hafnio, pentoxida de tantalio) y materiales de bajo índice (por ejemplo, dióxido de silicio, fluoruro de magnesio). Para aplicaciones ultravioletas, se utilizan materiales como el óxido de aluminio y el fluoruro de litio.
El software moderno de diseño de revestimiento utiliza algoritmos de optimización, como la optimización de agujas o la búsqueda global robusta, para encontrar la pila de capa que mejor se adapte a la curva de reflectividad de destino mientras que la contabilidad de tolerancias de fabricación. Esto es especialmente importante para telescopios que deben operar a través de una amplia gama espectral, como los de observatorios espaciales como Hubble o JWST.
Cómo las recubrimientos multicapa mejora el rendimiento del telescopio
Reflexividad mejorada
Un espejo de aluminio desnudo refleja alrededor del 90% de luz visible, pero esta gota en longitudes de onda más cortas. Un revestimiento de plata convencional refleja más del 95% en los objetos visibles y casi infrarrojos, pero se empaña rápidamente. Los revestimientos dieléctricos multicapa pueden lograr reflectividades superiores al 99% sobre bandas anchas, e incluso exceder el 99,9% para aplicaciones láser de banda estrecha.
Por ejemplo, los cuatro espejos de 8,2 metros del Muy grande Telescopio (VLT) en Chile están recubiertos con un recubrimiento de plata protegido que produce alrededor del 98% de reflectividad en 400–1000 nm. El próximo Espectivamente gran telescopio de emisión (ELT) utilizará un espejo de diléctímetro avanzado
Pérdida de luz reducida y luz descompuesta
Además de la absorción descabellada, la luz se puede perder por la dispersión de microscratches, poros o polvo atrapado en el revestimiento. Los revestimientos multicapa se depositan en ambientes limpios y vacíos que producen superficies muy suaves. Además, la pila en sí puede ser diseñada para tener baja dispersión mediante el uso de materiales con baja rugosidad de superficie y evitando cambios abruptos de índice que crean escoria.
Esto es especialmente importante para la imagen de alto contraste, como la imagen directa de exoplanetas. El instrumento Gemini Planet Imager y SPHERE] sobre el uso de capas multicapas especializadas en su óptica coronagráfica para suprimir la difusión y dispersar de la señal de padre para ser detectado.
Contraste y resolución mejorados
El brillo y los fantasmas – reflexiones no deseadas entre superficies ópticas– reducen el contraste y pueden imitar fuentes astronómicas débiles. Los revestimientos antirreflejos multicapa en lentes y placas de corrector minimizan estos efectos. Para un sistema refractivo multielementos, como las lentes de cámara en los telescopios espaciales, los revestimientos AR pueden aumentar la transmisión de alrededor del 80% a más del 99% por superficie.
Los revestimientos multicapa también permiten el diseño de dicroicos vigasplitters que dividen la luz por color con cortes muy afilados. Estos se utilizan para alimentar múltiples instrumentos de un solo telescopio, como en el Hubble Space Telescope] de la cámara avanzada para encuestas, que utiliza filtros ultracíclicos.
Protección contra los daños ambientales
Los telescopios están expuestos a condiciones duras: temperatura extrema, humedad, aire salado (para observatorios costeros), polvo y manejo. Recubrimientos metálicos de aluminio rápidamente oxidan o corroen. Los revestimientos multicapa actúan como barreras herméticas. Un revestimiento de plata protegido típico incluye una capa fina de niquel-cromo o nitruro de silicio sobre la vida de la plata, seguido de un sobrecoat desónico dielectrónico.
Los espejos del Keck Observatory en Hawaii se recuperan cada 2-3 años, pero se están desarrollando nuevos revestimientos de plata y de dieléctrica protegidos que podrían durar más de una década, reduciendo el tiempo de inactividad del telescopio y los costes de mantenimiento. Para los observatorios espaciales, donde el recorte es imposible, los revestimientos deben sobrevivir a la vibración de lanzamiento y años de radiación y ciclo térmico.
Tipos de revestimientos multicapa utilizados en telescopios
Dielectric Coatings
Los revestimientos Dielectricos consisten enteramente de materiales no conductivos con índices de alta y baja refractura alternancia. Pueden diseñarse para una reflectividad extremadamente alta (R √≥ 99.9%) sobre un ancho de banda elegido, o para características de transmisión precisas (filtros de ancho de banda, filtros de borde). Debido a que las distorsiones dielectricas absorben muy poca luz, son ideales para aplicaciones láser de alta potencia, pero también para las observaciones de absorción de espejos.
Una limitación es que los revestimientos dielectricos de alta reflexividad son típicamente banda estrecha, que funcionan mejor sobre unos pocos cientos de nanometros. Para cubrir el espectro visible completo, muchos telescopios utilizan un diseño de banda ancha que apila múltiples picos de reflectividad o utiliza un infralayor metálico. Pan-STARRS] telescopios, que examinan el cielo entero en cinco bandas ópticas de banda ancha
Coatings metálicos mejorados
Los revestimientos metálicos (aluminio, plata, oro) son simples y de banda ancha, pero sufren de menor reflectividad y durabilidad. Para superar esto, a menudo se sobrecolan con una o más capas dieléctricas. Por ejemplo, un revestimiento "plata protegido" típicamente tiene una capa de plata, una capa de barrera fina para evitar la desnivel, y una capa dielectrónica que también aumenta la reflectividad en las longitudes de onda son muchos telescopios estándar.
El oro se utiliza para telescopios infrarrojos porque tiene √98% de reflectividad de 700 nm a más allá de 10 μm. NASA Infrared Telescope Facility (IRTF)] y el Keck telescopios de cerca de infrarrojos ] utilizar fácilmente recubrimientos de oro.
Coatings antirreflejos
Los revestimientos ARH son el inverso de revestimientos reflectantes: minimizan la reflexión en la interfaz entre aire y vidrio (o entre diferentes elementos de vidrio). Una sola capa de onda trimestral de fluoruro de magnesio puede reducir la reflexión de 4% a aproximadamente 1,5% por superficie. Los revestimientos multicapa AR pueden lograr reflectividad por debajo de 0,2% en la banda visible.Estos son esenciales para sistemas de lentes complejos, como los utilizados en la [FLT]
Los revestimientos especiales de AR también se utilizan en las ventanas de detectores criogénicos para evitar reflexiones que podrían crear patrones de luz estragos.
Filtros de banda estrecha y de cuarzo duro
Los filtros de interferencia son recubrimientos multicapa diseñados para transmitir una banda estrecha de longitud de onda (por ejemplo, 10 nm de ancho) y reflejan a todos los demás. Estos se utilizan en encuestas fotométricas para aislar líneas espectrales específicas (por ejemplo, H-alpha, oxígeno III).
Los revestimientos duros —aquellos que usan materiales como SiO2 y Ta2O5 depositados por el afilado de ion-beam— son extremadamente estables y resistentes a la humedad, haciéndolos adecuados para uso exterior a largo plazo en los lugares de observación más remotos.
Técnicas de fabricación y de cocción
Para el almacenamiento de capas múltiples se necesitan cámaras de vacío ultra-altas, control de temperatura preciso y control preciso del espesor de capa. Los métodos principales utilizados son:
- ] evaporación de vapor de electrones: Un haz de electrones enfocado calienta el material de revestimiento en un crisol, lo que hace que se evapore y se condensa en el sustrato. Común para metales y óxidos simples, pero produce películas porosas con menor densidad.
- Deposición asistida por Ion (IAD): Un rayo de iones bombardea la película en crecimiento, lo que la hace más densa y más difícil. Esto reduce la absorción y la dispersión, y mejora la adherencia. IAD es ahora estándar para recubrimientos dielectricos de alta calidad.
- Ion-beam sputtering (IBS): Un material de rayos iónicos de un objetivo sólido sobre el sustrato. Esto produce las películas más suaves y densas, con una dispersión excepcionalmente baja. Se utiliza para las aplicaciones más exigentes como espejos de giro láser y telescopios de rayos X.
- ]Deposición de capa atómica (ALD): Un proceso químico que crece películas una capa atómica a la vez. Proporciona una perfecta conformidad en formas complejas y control de espesor extremo. ALD se utiliza para revestimientos protectores en espejos grandes y curvados y para ópticas delicadas nanoestructuradas.
El vacío de la cámara de revestimiento debe estar en la gama de 10−6 a 10−8 Torr para evitar la contaminación. Para espejos grandes (8 metros o más), la cámara debe ser enorme: la instalación de recubrimiento de ESO para los espejos VLT es uno de los más grandes del mundo, capaz de manejar espejos de 8,2 metros de diámetro.
Evolución histórica
Los primeros espejos prácticos del telescopio fueron fabricados con metal de espéculo (una aleación de cobre y estaño), que sólo tenía una reflectividad de alrededor del 60%. En el siglo XIX, los espejos plateados en vidrio —hecha por depósito químico de plata— se volvieron populares, alcanzando alrededor del 90% de reflectividad pero empañando rápidamente. En los años 1930, John Strong desarrolló el proceso de evaporación de vacío para cubrir espejos con aluminio, que dio un 90% de reflectividad y formó un estado más.
La necesidad de una mejor reflectividad ultravioleta para los telescopios espaciales llevó el desarrollo de revestimientos dielectrónicos multicapas en los años 1960 y 1970. Telescopio EspacialHubble] (lanzado 1990) utilizaron espejos de aluminio sobrecogidos con fluoruro de magnesio para mejorar la reflectividad ultravioleta.
Hoy en día, prácticamente todos los nuevos telescopios grandes utilizan alguna forma de recubrimiento multicapa en sus espejos primarios, secundarios y terciarios. La tecnología de cocción se ha convertido en un campo especializado, con empresas como Materion, ECI Optics y OptiLayer GmbH que ofrecen soluciones personalizadas para los observatorios.
Estudios de caso: Telescopios usando revestimientos multicapa
Telescopio Espacial Hubble
El espejo primario de Hubble es un sustrato de 2,4 metros de presión de sílice recubierto con una capa de 100 nm de aluminio puro, rematado con una capa de 25 nm de fluoruro de magnesio. Este recubrimiento ofrece ±70% reflectividad en Lyman-alpha (121.6 nm) y √0% en el visible. Sin embargo, para el
Telescopio Espacial James Webb
Los 18 segmentos de espejo de berilio hexagonal de JWST se recubren con una capa fina de oro (aproximadamente 100 nm) para maximizar la reflectividad infrarroja. La reflectividad de oro es √98% de 0.7 a 30 μm. El oro se sobrecoge con una capa protectora muy fina de SiO2 amorfa (sólo cerca de 5 nm) para evitar el rasguamiento en sí mismo.
Telescopio de Encuesta Sinóptica Grande (Vera C. Observatorio Rubin)
El espejo primario/teritario de 8.4 metros de LSST utiliza un recubrimiento novedoso: una capa de 100 nm de plata protegida por una capa de 10 nm de nitruro de silicio (Si3N4) y una capa superior de SiO2. Este recubrimiento da mento96% reflectividad sobre 350-1050 nm, con excelente durabilidad. La plata fue elegida sobre aluminio para maximizar la potencia roja y cercana a la Lfrarroja.
Desafíos y futuras orientaciones
A pesar de muchos avances, el revestimiento de grandes espejos de telescopio sigue siendo difícil. El revestimiento debe ser uniforme en una superficie gigante, una variación del 1% en el espesor puede cambiar el pico de reflectividad por decenas de nanometros. La expansión térmica del sustrato y las tensiones dentro del revestimiento pueden distorsionar la figura del espejo. Los materiales de cocción deben ser estables bajo radiación ultravioleta (especialmente para telescopios espaciales) y resistentes al oxígeno atámico en órbita terrestre baja.
Entre los nuevos acontecimientos se cuentan:
- Recubrimientos nanoestructurados: Estos incorporan grapas de subonlength o nanopillars para crear superficies de gradiente-index que suprimen las reflexiones sobre una amplia gama de ángulos y longitudes de onda. Tales recubrimientos de "moth-eye" se están desarrollando para lentes de alta transmisión.
- Recubrimientos adaptivos: Utilizando materiales electro-opticos que pueden cambiar el índice refractivo en un campo eléctrico, estos podrían ajustar la reflectividad en tiempo real para compensar la deriva térmica o la contaminación.
- Recubrimientos multiespectral: Diseños que maximizan la reflectividad simultáneamente en los infrarrojos visibles, infrarrojos cercanos y térmicos, permitiendo que un solo telescopio sirva múltiples instrumentos sin intercambiar espejos.
- Recubrimientos autolimpiables: Materiales fotocatalíticos (por ejemplo, dióxido de titanio) que descomponen contaminantes orgánicos bajo luz UV, reduciendo la necesidad de limpiar espejos grandes.
El Observatorio Europeo del Sur ya está probando recubrimientos prototipos para el ELT que combinan plata con capas dieléctricas avanzadas para lograr √97% de reflectividad sobre 400–2000 nm con menos de 0,1% de emisividad a 10 μm. Tales recubrimientos permitirán que el ELT observe en el infrarrojo térmico sin las señales de brillo del espejo.
Conclusión
Los revestimientos multicapa son una tecnología de apoyo crítica para telescopios modernos. Al controlar precisamente la interferencia de la luz, aumentan la reflectividad, reducen la dispersión, suprimen los fantasmas y protegen la óptica del medio ambiente. Desde el espejo protegido por la plata del SST hasta los delicados revestimientos UV en Hubble y los espejos cubiertos de oro de JWST, estas finas películas permiten a los astrónomos empujar los límites de la observación de los nanos.
Más lectura: Para más información sobre el diseño de revestimiento, vea Optics for U article on multilayer coatings. Los detalles técnicos sobre los métodos de deposición están disponibles desde Edmund Optics].