Comment les revêtements multicouches améliorent la performance de l'optique du télescope

L'astronomie moderne repose sur des télescopes qui captent la lumière la plus faible des galaxies lointaines, résolvent les détails planétaires fins et sondent les premiers instants de l'univers. Au cours du siècle dernier, une révolution silencieuse de l'ingénierie optique a été le développement de revêtements multicouches pour miroirs et lentilles de télescope. Ces piles à film mince précisément conçues améliorent considérablement la réflectivité, réduisent la lumière errante, améliorent le contraste et protègent l'optique sensible de l'environnement.

Qu'est-ce que les revêtements multicouches?

Les revêtements multicouches sont des piles de films minces, chacune avec une épaisseur soigneusement choisie et un indice de réfraction, déposées sur un substrat optique. En ingénierie de l'interférence de la lumière réfléchie de chaque couche, ces revêtements peuvent atteindre des propriétés bien au-delà de ce qu'un seul matériau peut offrir. Pour l'optique télescope, l'application la plus importante est d'améliorer la réflectivité sur une gamme spécifique de longueurs d'onde – souvent les régions ultraviolettes, visibles et quasi infrarouges où sont faites des observations astronomiques.

Lorsque la lumière rencontre une limite entre deux matériaux avec des indices de réfraction différents, une partie de celui-ci est réfléchie. En plaçant plusieurs couches avec des indices de réfraction alternants élevés et faibles, on peut faire les réflexions de chaque interface pour ajouter de manière constructive (augmentation de la réfraction totale) ou destructive (création de filtres antireflets ou à bande étroite). L'épaisseur de chaque couche est généralement une fraction de la longueur d'onde de la lumière, souvent une quart d'onde (λ/4) ou parfois une demi-onde, pour contrôler la phase des faisceaux interférants.

Conception et matériaux

Les revêtements typiques utilisent des couches alternées de matériaux à indice élevé (p. ex. dioxyde de titane, dioxyde de hafnium, pentaoxyde de tantale) et de matériaux à indice faible (p. ex. dioxyde de silicium, fluorure de magnésium). Pour les applications ultravioletnes, on utilise des matériaux comme l'oxyde d'aluminium et le fluorure de lithium. Le nombre de couches peut varier de quelques à plus de 100, selon les performances souhaitées.

Le logiciel moderne de conception de revêtement utilise des algorithmes d'optimisation, comme l'optimisation des aiguilles ou une recherche mondiale robuste, pour trouver la pile de couches qui répond le mieux à la courbe de réflectivité cible tout en tenant compte des tolérances de fabrication.

Comment les revêtements multicouches améliorent la performance du télescope

Reflectivité accrue

Un miroir en aluminium nu reflète environ 90% de la lumière visible, mais cette baisse à des longueurs d'onde plus courtes. Un revêtement en argent conventionnel reflète plus de 95% dans le visible et proche infrarouge, mais s'en terne rapidement. Les revêtements diélectriques multicouches peuvent atteindre des réflectivités supérieures à 99 % sur de larges bandes, et même dépasser 99,9% pour les applications laser à bande étroite.

Par exemple, les quatre miroirs de 8,2 mètres du Très grand télescope (VLT)[ au Chili sont revêtus d'un revêtement argenté protégé qui donne environ 98 % de réflectivité sur 400–1000 nm. Le prochain Extremement grand télescope (ELT) utilisera des revêtements diélectriques multicouches avancés sur son miroir primaire de 39 mètres pour maintenir une haute réflectivité tout en minimisant les émissions thermiques.

Réduction de la perte de lumière et de la lumière éparpillée

En plus de l'absorption pure et simple, la lumière peut être perdue par diffusion de microscratches, de pores ou de poussières piégées dans le revêtement. Les revêtements multicouches sont déposés dans des environnements propres et sous vide qui produisent des surfaces très lisses. De plus, la pile elle-même peut être conçue pour avoir une faible diffusion en utilisant des matériaux à faible rugosité de surface et en évitant les changements brusques d'indice qui créent de la brume.

Ceci est particulièrement important pour l'imagerie à haut contraste, comme l'imagerie directe des exoplanètes. L'instrument Gemini Planet Imager et SPHERE[ sur le VLT utilisent des revêtements multicouches spécialisés sur leur optique coronagraphique pour supprimer la diffraction et disperser de l'étoile mère, permettant la détection du signal de la planète faible.

Amélioration du contraste et de la résolution

Les revêtements antireflets multicouches (AR) sur les lentilles et les plaques correcteurs réduisent ces effets. Pour un système réfractaire multi-éléments, comme les lentilles de la caméra sur les télescopes spatiaux, les revêtements AR peuvent augmenter la transmission d'environ 80% à plus de 99% par surface. Cela supprime également les images fantômes causées par des doubles réflexions.

Les revêtements multicouches permettent également la conception de poutres de dichroïque qui divisent la lumière par couleur avec des coupures très nettes. Ils sont utilisés pour alimenter plusieurs instruments d'un seul télescope, comme dans le télescope spatial de bulle[ caméra avancée pour les enquêtes, qui utilise des filtres dichroïques pour séparer la lumière ultraviolette et visible.

Protection contre les dommages environnementaux

Les revêtements métalliques à la bare comme l'aluminium s'oxydent rapidement ou se corrodent. Les revêtements multicouches agissent comme des barrières hermétiques. Un revêtement argenté protégé typique comprend une fine couche de nickel-chromium ou de nitride de silicium sur l'argent, suivie d'un pardessus diélectrique. Cela empêche la ternissement et peut prolonger la durée de vie d'un revêtement miroir de mois à décennies.

Les miroirs de l'Observatoire de Keck à Hawaï sont recouches tous les 2–3 ans, mais de nouveaux revêtements d'argent et diélectriques protégés peuvent durer plus d'une décennie, réduisant ainsi les temps d'arrêt et les coûts d'entretien des télescopes.Pour les observatoires spatiaux, où le recoing est impossible, les revêtements doivent survivre aux vibrations de lancement et aux années de rayonnement et de cycle thermique.

Types de revêtements multicouches utilisés dans les télescopes

Revêtements diélectriques

Les revêtements diélectriques sont entièrement constitués de matériaux non conducteurs avec des indices de réfraction élevés et bas alternants. Ils peuvent être conçus pour une très haute réflectivité (R > 99,9%) sur une bande passante choisie, ou pour des caractéristiques de transmission précises (filtres passe-bande, filtres à bord).

Pour couvrir le spectre plein visible, de nombreux télescopes utilisent une conception à large bande qui empile des pics de réflectivité multiples ou utilise une couche inférieure métallique. Les télescopes Pan-STARRS, qui surveillent le ciel entier dans cinq bandes optiques, utilisent un revêtement diélectrique à large bande qui donne une réflectivité > 98 % de 400 à 1100 nm.

Revêtements métalliques améliorés

Les revêtements métalliques (aluminium, argent, or) sont simples et à large bande, mais ils souffrent d'une réflectivité et d'une durabilité moindres. Pour surmonter cela, ils sont souvent surenduits d'une ou plusieurs couches diélectriques. Par exemple, un revêtement « argent protégé » a généralement une couche d'argent, une mince couche de barrière pour éviter la ternissement, et une couche diélectrique qui augmente également la réflectivité à des longueurs d'onde plus courtes.

L'or est utilisé pour les télescopes infrarouges parce qu'il a >98 % de réflectivité de 700 nm à au-delà de 10 μm. L'installation [NASA Infrared Telescope Facility (IRTF) et l'optique des télescopes Keck sont à peu près infrarouges.

Revêtements antireflets

Les revêtements AR sont l'inverse des revêtements réfléchissants : ils réduisent au minimum la réflexion à l'interface entre l'air et le verre (ou entre différents éléments de verre).Une couche de fluorure de magnésium à une onde quart peut réduire la réflexion de 4 % à environ 1,5 % par surface. Les revêtements AR multicouches peuvent atteindre une réflectivité inférieure à 0,2 % dans la bande visible.

Des revêtements AR spéciaux sont également utilisés sur les fenêtres des détecteurs cryogéniques pour éviter les réflexions qui pourraient créer des motifs de lumière errante.

Filtres à bande étroite et à revêtement dur

Les filtres à interférence sont des revêtements multicouches conçus pour transmettre une bande étroite de longueur d'onde (p. ex., 10 nm de largeur) et pour refléter tous les autres.Ils sont utilisés dans les relevés photométriques pour isoler des lignes spectrales spécifiques (p. ex., H-alpha, oxygène III). Ils sont également utilisés dans les interféromètres Fabry-Pérot pour la spectroscopie à haute résolution.

Les revêtements durs, qui utilisent des matériaux tels que SiO2 et Ta2O5 déposés par pulvérisation d'ions, sont extrêmement stables et résistants à l'humidité, ce qui les rend adaptés à une utilisation extérieure à long terme dans les sites d'observatoires les plus éloignés.

Techniques de fabrication et de revêtement

Le dépôt de revêtements multicouches nécessite des chambres à vide ultra-hautes, un contrôle précis de la température et une surveillance précise de l'épaisseur de la couche.

  • Évaporation de faisceaux d'électrons : Un faisceau d'électrons concentré chauffe le matériau de revêtement dans un creuset, ce qui le fait s'évaporer et condenser sur le substrat. Commun pour les métaux et les oxydes simples, mais produit des films poreux à plus faible densité.
  • Dépôt assisté par l'ion (DAI):[ Un faisceau d'ions bombarde le film en croissance, le rendant plus dense et plus difficile. Cela réduit l'absorption et la diffusion, et améliore l'adhésion.
  • Peinture de faisceaux d'ions (IBS):[ Un faisceau d'ions fait planter le matériau d'une cible solide sur le substrat, ce qui produit les films les plus denses et les plus lisses, avec une diffusion exceptionnellement faible.
  • Dépôt de couches atomiques (ADL):[ Un procédé chimique qui produit des films d'une couche atomique à la fois. Il fournit une parfaite conformité sur les formes complexes et le contrôle d'épaisseur extrême. ALD est utilisé pour les revêtements protecteurs sur grands miroirs courbes et pour l'optique délicate nanostructurée.

Pour les grands miroirs (8 mètres ou plus), la chambre doit être énorme, l'installation de revêtement de l'ESO pour les miroirs VLT est l'un des plus grands au monde, capable de manipuler des miroirs de 8,2 mètres de diamètre.

Évolution historique

Les premiers miroirs de télescope pratiques sont faits de métal spéculum (alliage de cuivre et d'étain), qui n'a que 60% de réflectivité. Au XIXe siècle, les miroirs argentés sur verre, fabriqués par dépôt chimique d'argent, deviennent populaires, obtenant environ 90% de réflectivité mais ternissant rapidement. Dans les années 1930, John Strong développe le processus d'évaporation sous vide pour enrober les miroirs d'aluminium, ce qui donne 90% de réflectivité et forme une couche d'oxyde naturel qui empêche la corrosion.

Le télescope spatial (lancé en 1990) a utilisé des miroirs en aluminium surenduits de fluorure de magnésium pour améliorer la réflectivité ultraviolette. Des instruments plus récents, comme la caméra pour les levés[ (2002), ont utilisé des revêtements diélectriques multicouches pour atteindre une réflectivité > 95 % de 150 nm à 1100 nm.

Aujourd'hui, pratiquement tous les nouveaux grands télescopes utilisent une forme de revêtement multicouche sur leurs miroirs primaires, secondaires et tertiaires. La technologie de revêtement est devenue un domaine spécialisé, avec des entreprises comme Matérion, ECI Optics et OptiLayer GmbH fournissant des solutions personnalisées pour les observatoires.

Études de cas : Téléscopes utilisant des revêtements multicouches

Télescope spatial Hubble

Le miroir primaire de Hubble est un substrat de silice fondue de 2,4 mètres recouvert d'une couche d'aluminium pur de 100 nm-épaisseur, surmonté d'une couche de 25 nm de fluorure de magnésium. Ce revêtement fournit >70% de réflectivité à Lyman-alpha (121,6 nm) et >90% dans le visible. Cependant, pour le Spectrographe d'origines cosmiques, un revêtement spécial multicouches a été appliqué à l'optique pour stimuler la réflectivité dans l'ultraviolet lointain (115–200 nm) à >80%, région où les métaux absorbent fortement.

Téléscope spatial James Webb

Les 18 segments miroirs hexagonaux de Béryllium de JWST sont recouverts d'une fine couche d'or (environ 100 nm) pour maximiser la réflectivité infrarouge. La réflectivité de l'or est >98% de 0,7 à 30 μm. L'or est recouvert d'une couche protectrice très fine de SiO2 amorphe (environ 5 nm) pour empêcher les rayures pendant la manipulation. Cependant, le revêtement or lui-même n'est pas multicouche – c'est une couche unique – mais bon nombre des petits éléments optiques de JWST (filtres, dichroïques et lentilles) utilisent des revêtements diélectriques multicouches sophistiqués.

Grand télescope de levés synoptiques (Observatoire Vera C. Rubin)

Le miroir primaire/tertiaire de 8,4 mètres du LSST utilise un nouveau revêtement : une couche d'argent de 100 nm protégée par une couche de nitrite de silicium de 10 nm (Si3N4) et une couche supérieure de SiO2. Ce revêtement donne >96% de réflectivité sur 350–1050 nm, avec une excellente durabilité. L'argent a été choisi sur l'aluminium pour maximiser le débit dans le rouge et le proche infrarouge, où les objectifs scientifiques du LSST (étude de l'énergie noire et cartographie de la Voie lactée) sont concentrés.

Défis et orientations futures

Malgré de nombreuses avancées, le revêtement des grands miroirs télescopes reste difficile. Le revêtement doit être uniforme sur une surface géante – une variation de 1% d'épaisseur peut déplacer le pic de réflectivité de dizaines de nanomètres. L'expansion thermique du substrat et les contraintes à l'intérieur du revêtement peuvent déformer la figure miroir.

Les faits nouveaux sont notamment les suivants :

  • Enduits nanostructurés :[ Ces revêtements comportent des grilles ou des nanopilules de longueur d'onde pour créer des surfaces d'indice de gradient qui suppriment les réflexions sur une large gamme d'angles et de longueurs d'onde.
  • Enduits adaptatifs:[ En utilisant des matériaux électro-optiques qui peuvent changer l'indice de réfraction dans un champ électrique, ceux-ci pourraient ajuster la réflectivité en temps réel pour compenser la dérive thermique ou la contamination.
  • Enduits multispectraux:[ Conceptions qui maximisent la réflectivité simultanément dans l'infrarouge visible, proche infrarouge et thermique, permettant à un seul télescope de servir plusieurs instruments sans échanger des miroirs.
  • Enduits autonettoyants:[ Matériaux photocatalytiques (p. ex. dioxyde de titane) qui décomposent les contaminants organiques sous la lumière UV, réduisant ainsi la nécessité de nettoyer les grands miroirs.

L'Observatoire européen du Sud teste déjà des prototypes de revêtements pour l'ELT qui combinent l'argent avec des couches diélectriques avancées pour obtenir une réflectivité > 97 % sur 400 à 2000 nm avec moins de 0,1 % d'émissivité à 10 μm. Ces revêtements permettront à l'ELT d'observer dans l'infrarouge thermique sans que les signaux lumineux du miroir ne se submergent pas.

Conclusion

Les revêtements multicouches sont une technologie d'aide essentielle pour les télescopes modernes. En contrôlant précisément l'interférence de la lumière, ils stimulent la réflectivité, réduisent la diffusion, suppriment les fantômes et protègent l'optique de l'environnement. Du miroir protégé par l'argent du LSST aux délicats revêtements UV sur Hubble et aux miroirs recouverts d'or du JWST, ces films minces permettent aux astronomes de repousser les limites de l'observation.

Pour plus de détails sur la conception du revêtement, voir l'article Optics for U on multilayers enduits. Des détails techniques sur les méthodes de dépôt sont disponibles auprès de Edmund Optics.Les programmes spécifiques de revêtement du télescope sont documentés par Groupe de revêtement de l'ESO.