כיצד Multilayer Fitings לשפר את הביצועים של טלסקופ אופטיקה

האסטרונומיה המודרנית מסתמכת על טלסקופים שיכולים ללכוד את האור המתעלל ביותר מגלקסיות רחוקות, לפתור פרטים פלנטריים דקים, ולחקור את הרגעים המוקדמים ביותר של היקום.במאה האחרונה, מהפכה שקטה בהנדסה אופטית הייתה התפתחות של ציפויים רב-שכבתית עבור מראות טלסקופ ועדשות. אלה בדיוק ערימה של ערימה דק-סרטים דקים מנדסים מסוגלים לשפר באופן דרמטי את הרהורים, להפחית אור, לשפר את הניגודיות, ולהגן על אופטיקה מפני הסביבה, מפניהם, אפילו מפניהם, ללא מובנים רגישים.

מה הם Multilayer Betaings?

ציפויים מרוביטר הם ערימות של סרטים דקים, כל אחד עם עובי שנבחר בקפידה ואינדקס השבירה, שהופקד על תת-סטריט אופטית. על ידי הנדסה התערבות של אור שמשתקף מכל שכבה, ציפויים אלה יכולים להשיג תכונות הרבה מעבר למה חומר אחד יכול להציע.עבור טלסקופ אופטיקה, היישום החשוב ביותר הוא שיפור רפלקטיביות על טווח גל מסוים - לעתים קרובות אולטרה סגול, גלוי, קרוב לאזורים, קרוב תצפיות אסטרונומיות.

העיקרון הבסיסי הוא (FLT:0)-סרט התערבות ⁇ 1:1 כאשר אור נתקל גבול בין שני חומרים עם אינדיקציות השבירה שונות, חלק ממנו משתקף.על ידי הצבת מספר שכבות עם שינוי של מדדים גבוהים ונמוכים, ההשתקפות מכל ממשק יכול להיות מוטיב (במשקל מוחלט) או אכילת יתר הרסנית (מפרק) לעתים קרובות של גל (חצי) או צר (מדומים) של גלי בקרה (לעתים קרובות) הוא לעתים קרובות).

עיצוב וחומרים

עיצובים אופייניים להשתמש שינוי שכבות של חומרים עתירי גבוה (למשל, סיליקון דו חמצני, אספירין דו חמצני, תחמוצת הבלוטות טיטניום) וחומרים נמוכים (למשל, סיליקון דו חמצני, מגנזיום פלואוריד) עבור יישומים אולטרה סגול, חומרים כמו אלומיניום תחמוצת אלומיניום ויתיום פלואוריד משמשים.

תוכנת עיצוב ציפוי מודרנית משתמשת אלגוריתמים אופטימיזציה - כמו אופטימיזציה מחטית או חיפוש גלובלי חזק - כדי למצוא את ערימה השכבה הטובה ביותר לעמוד על עקומת הרדמה המטרה תוך שמירה על סובלנות ייצור.זה חשוב במיוחד עבור טלסקופים כי חייב לפעול בטווח רחב של ספקטרלי, כגון אלה על observaries חלל כמו אבל או JWST.

כיצד Multilayer Fitings לשפר את ביצועי הטלסקופ

המונחים: Reflectivity

מראה אלומיניום חשוף משקף כ-90% מהאור הנראה לעין, אבל טיפות אלה באורכי גל קצרים יותר.ציפוי כסף קונבנציונלי משקף יותר מ-95% בציפוי גלויים וקרובים, אך טארנושטים במהירות. ציפויים רב-שכבתיים יכולים להשיג השתקפות מעל 99% על להקות רחבות, ואפילו מעל 99.9% עבור יישומי לייזר של פס צר-פס גדול, כל אחוז מהמשקלכות מוגברת פירושו יותר פוטונים תצפית על פני הגלאים - כמו גלקסיות חלשות או גלקסיות חלשות מאוד.

לדוגמה, ארבעת 8.2 מטר מראות של טלסקופ גדול מאוד (VLT) 1 בצ'ילה הם מצופה ציפוי כסף מוגן הניב כ 98% רפלקטיביות על פני 400-1000 nm. the upcomingFLT:2Extremely Largeטלטלסקופ (ELT)FLT 3 ישתמש בציפוי רב-פולטי-חשמליים מתקדמים על הציפוי שלה על 39-1,000 מטרים, בעודומטר גבוה יותר משקף את המראה הגבוה ביותר למינית.

אובדן אור מופחת ו- Scattered Light

בנוסף לקליטה ישירה, אור יכול להיות אבוד באמצעות פיזור ממיקרוסקופים, פונקים, או אבק לכוד בציפוי הרב-שכבה מופקדים במהירויות נקיות, סביבות ואקום המייצרות משטחים חלק מאוד.יתר על כן, את הערימה עצמה ניתן להנדסה נמוכה על ידי שימוש בחומרים עם ציפוי נמוך על פני השטח ולהימנע משינויים פתאומיים שיוצרים את ההונאה המודרנית, בהשוואה לתהליכים מתפזרים, ולהפחית את גודלם של סרטים קשים, ולהפחית את גודלם של מפוזרים, בהשוואה לצמצום של מספר מפוזרים, ולהפחית את גודלם של לוחות זמנים קשים.

זה חשוב במיוחד עבור הדמיה גבוהה-contrast, כגון הדמיה ישירה של כוכבי לכת.ה-FLT:0Gemini Planet ImagercioFLT:1 ו-FLT:2SPHEREFLT 3: כלי על השימוש VLT השתמש בציפוי רב-שכבות מיוחדים על האופטיקה ההוריבית שלהם כדי לדכא את הפיזור והתפזרות מן הכוכב, ומאפשרים להיות אותות קלים לזיהוי כוכב הלכת.

שיפור הקונטראט והחלטה

גליר ורוחות רפאים - ציפויים לא רצויים בין פני השטח האופטיים - ניגודים ויכולים לחקות מקורות אסטרונומיים חלשים. ציפוי Multilayer נגד השתקפות (AR) על עדשות והצלחות תיקון ממזערים את ההשפעות הללו.עבור מערכת רב-תכליתית של Refractive, כגון עדשות המצלמה על טלסקופי חלל, ציפויים AR יכולים להגדיל את השידור מ -80% ל- 99% משטח זה גם מדכאים על ידי השתקפות כפולה.

ציפויים רב-שכבתיים מאפשרים גם את העיצוב של FLT:0 [הדבורים] האמפרוטאות של ה-FLT: 1 שמפוצלים בצבע עם חתך חדה מאוד.אלה משמשים להאכיל מכשירים מרובים מטלסקופ אחד, כגון ב-FLT:2 [ה-Hubble Space טלסקופ החלל של החללית:2] טלסקופ החלל המתקדם של 3 עבור סקרים, אשר משתמש בפילטרים דיסרטוניים כדי להפריד בין-סגולה לאור.

הגנה מפני נזק סביבתי

אופטיקה טלסקופית נחשפים לתנאים קשים: קיצוניות טמפרטורה, לחות, אוויר מלוח (עבור observatories החוף), אבק, וטיפול.Bet ציפוי מתכת כמו אלומיניום במהירות חמצון או corrode. ציפויים Multilayer לפעול כמו מחסומים hermetic. a טיפוסי מוגן כסף כולל שכבה דקה של ניקל-chumum או nitride על פני כסף, ואחריו ציפוי dielectricat זה יכול להאריך את החיים.

מראות של ה-FLT:0 [KKKKeck ObservatoryFreaLT:1] בהוואי מוחזרים כל 2-3 שנים, אך ציפויים חשמליים מוגנים חדשים מפותחים שיכולים להימשך לאורך עשור, צמצום עלויות הטלסקופ והתחזוקה.עבור רכיבי observaries שטח, בהם ציפויים לא-אדום, יש לשרוד זהב ושנים של קרינה ורכיבי אופניים תרמיים: ג'יימס-F2bme, כולל ציפויים אופטיים של מתכת אופטיים, אך הם משתמשים בשכבה אופטית אופטימלית של ניקל-F2F1, אך ורקדלוק, אך ורקדנציה אופטית של חומר-F2F2Fvbsp;

סוגים של רב-שכבות המשמשות בטלסקופים

דיאלקטרי

ציפוי דיאלקטרי מורכב לחלוטין מחומרים לא מוליכים עם שינוי גבוה נמוך אינדיקציות קירור נמוך.הם יכולים להיות מעוצבים עבור רפלקטיביות גבוהה מאוד (R> 99.9%) על רוחב פס נבחר, או עבור מאפייני שידור מדויקים (מסננים פסים, מסננים) כי דיאלקטריים סופגים מעט מאוד אור, הם אידיאליים עבור יישומי לייזר בעוצמה גבוהה, אבל גם עבור תצפיות אסטרונומיות שבו אפילו 0.1% יכולים לגרום עיוותים של מראה תרמי של מראה.

מגבלה אחת היא כי ציפויים דיאלקטריים גבוהים הם בדרך כלל צר פס - הם עובדים הכי טוב על כמה מאות ננומטרים. לכסות את הספקטרום המלא גלוי, טלסקופים רבים משתמשים בעיצוב פס רחב המערם שיאים מרובים או משתמש מתכת מתחת לתחתית.הFLT:0Pan-STARRSFREFLT:1), אשר סקר את כל חמשת השמיים האופטיים, שימוש בציפוי, 000 רחב של צמיגים, נותן צמיגים ל-41 צמיגים רחבים.

Metallic Coatings

ציפוי מתכתי (אלומיום, כסף, זהב) הם פשוטים ופס רחב, אבל הם סובלים ממשקפות נמוכה ועמידות. כדי להתגבר על זה, הם לעתים קרובות מוגזמים עם שכבה אחת או יותר דיאלקטרית. לדוגמה, ציפוי "כסף מוגן" בדרך כלל יש שכבת כסף, מחסום דק כדי למנוע נפיחות, ושכבה דיאלקטרית כי גם מגבירה רפלקטיביות בגלמים קצרים יותר.

זהב משמש לטלסקופים אינפרא אדום כי יש לו "98% רפלקטיביות מ-700 nm עד 10 מיקרומטר (ה-FLT:0NASA Infrared טלסקופ Facility (IRTF)uaFLT:1 ו-FLT:2Keck טלסקופים ליד-infrared sאופטיקהFLT 3 משתמשים ציפויים זהב.

« אנטי-Reflective Coatings

ציפויי AR הם הדבק של ציפוי רפלקטיבי: הם מקטינים את ההשתקפות בממשק בין אוויר לזכוכית (או בין רכיבי זכוכית שונים) שכבת גלי יחיד של מגנזיום פלואוריד יכול להפחית את ההשתקפות מ-4% ל-1.5% משטח. ציפוי AR יכולים להשיג רפלקטיביות מתחת ל-0.2% על פני הלהקה הנראה לעין.

ציפויי AR מיוחדים משמשים גם על החלונות של גלאי מבוהגאים כדי למנוע השתקפות שיכולה ליצור תבניות אור משוטטות.

Narrowband ו-Hard-Coat Filters

(המסננים בין-שכבות נועדו לשדר להקה באורך גל צר (למשל, 10 nm רחב) ולשקף את כל האחרים.אלה משמשים סקרים פוטומטריים לבודד קווים ספקטרליים ספציפיים (למשל, H-alpha, חמצן III) הם משמשים גם בציפוי FLT:0Fabry-ProtsLTFreas1 עבור רזולוציה גבוהה: MultipSE.

ציפויים קשים - אלה באמצעות חומרים כמו SiO2 ו- Ta2O5 שהופקדו על ידי ion-beam sputtering - הם יציבים מאוד עמידים לחות, מה שהופך אותם מתאימים לשימוש חיצוני ארוך טווח באתרי observatory המרוחקים ביותר.

ייצור וטכניקות מתקפלות

ציפויים רב שכבתיים של הפקדה דורשים תאי ואקום גבוהים, בקרת טמפרטורה מדויקת, ו ניטור מדויק של עובי שכבתי.השיטות העיקריות המשמשות הן:

  • (FLT:0) אלקרון-באם evaporation:cioFLT ( 1:1 A אלקטרון ממוקד beam מחמם את חומר הציפוי באכילה, מה שגורם לו להתאדות ונפיחות על תת-התחמוצת. Common for מתכות ו- תחמוצת-חמצני פשוטה, אך מייצר סרטים ⁇ עם צפיפות נמוכה יותר.
  • (ב) [ה]התערות:0] ,[ה] מפצירה את הסרט הגדל, מה שהופך אותו צפוף יותר ויותר קשה.זה מקטין ספיגה ומתפזר, ומשפר את הדבקות.
  • (ב) ⁇ :0 (IBS): חומר ion beam sputters מהמטרה המוצקה על המצע (IBS): זה יוצר את הסרטים הצפופים ביותר, חלקיקים ביותר, עם פיזור נמוך במיוחד במיוחד.
  • (FLT:0) ,Atomic שכבת מחיקה (ALD): irph:1) תהליך כימי שמגדל סרטים שכבת אטומית אחת בכל פעם.הוא מספק התאמה מושלמת על צורות מורכבות ושליטה עובי קיצוני. ALD משמש לציפוי מגן על מראות גדולים, מעוקלים ועל אופטיקה עדינה.

הריקבון של תא הציפוי חייב להיות בטווח 10-6 עד 10-8 Torr כדי להימנע מזיהום.עבור מראות גדולים (8 מטרים או יותר), התא חייב להיות ענק - ה-FLT:0ESO של ציפוי הציפוי של ראטFLT:1 עבור מראות VLT הוא אחד הגדול ביותר בעולם, המסוגל לטפל 8.2 מטר-diameters.

התפתחות היסטורית

מראות הטלסקופ המעשיים הראשונים נעשו ממתכת ספקולומה (סגסוגת של נחושת וטין), אשר היו רק כ -60% רפלקטיביות. במאה ה-19, מראות כסף על משקפיים - שבוצעו על ידי כסף שהופק על ידי השמדה כימית כסף - הפך פופולרי, השגת כ -90% רפלקטיביות אבל טבילה במהירות. בשנות ה -1930, ג'ון חזק פיתח את תהליך evaporation של הריק למראות, אשר נתן סגסוגת טבעית של מולקולה, אשר מנעועת, אשר הייתה עוד יותר של סגסוגת של שנים.

הצורך בהשתקפות אולטרה סגולה טובה יותר עבור טלסקופים מבוססי חלל הובילה לפיתוח של ציפויים רב-שכבתית dielectric בשנות ה-60 וה-70.TheFLT:0Hubble Space טלסקופ החלל HaloFLT:1 (החל משנת 1990) השתמש במראות אלומיניום המורחבים עם מגנזיום כדי לשפר את הרהורים אולטרה סגוליים.

כיום, כמעט כל הטלסקופים הגדולים החדשים משתמשים בטיפוס של ציפוי רב-שכבתי על המראה הראשי, המשניים והטריטרינרי שלהם.טכנולוגיית ה-Keling הפכה לשדה מיוחד, עם חברות כמו FLT:0Materion, ECI Optics, ו- OptiLayer GmbHFLT:1 מספקת פתרונות מותאמים אישית עבור observatories.

מחקרים: טלסקופים באמצעות Multilayer Coatings

טלסקופ החלל האבל

המראה העיקרי של האבל הוא תת-קרקעית של 2.4 מטר מטבולית עם שכבת מאה-nm-thick של אלומיניום טהור, המצופה עם שכבת 25-nm של מגנזיום פלואורידי.הציפוי הזה מספק > 70% רפלקטיביות באזור לימן-אלפא (121.6 nm) ו > 90% בתצוגה גלויה.

טלסקופ החלל ג'יימס ווב

18 hexagonal beryllium מראות פלחי מצופה עם שכבת זהב דק (בערך 100 nm) כדי למקסם את הרפלקסיביות של זהב הוא > 98% מ-0 ל -30 מיקרומטר.זה הוא overcoated עם שכבת הגנה דקה מאוד של SiO2 (רק 5n) כדי למנוע כביסה במהלך הציפוי של ג'אט, אבל לא יותר מתוחכם, אבל הוא ציפויים רבים של ציפויים (אך) הוא קטן יותר מדי) עם שכבה אופטיים (אך הוא קטן יותר) עם שכבה עם ציפויים (אך הוא קטן יותר מדי) עם ציפויים (אך הוא קטן יותר ויותר) של ציפויים של ציפויים (אך הוא קטן יותר מדי) עם ציפויים (אך הוא קטן יותר ויותר) עם ציפויים רבים של ציפויים) עם ציפויים) עם שכבה עם שכבה עם שכבה הרבה יותר מתוחכם של ציפויים (אך) עם ציפויים (אך) עם ציפויים (אך הוא קטן יותר מדי) עם ציפויים רבים של ציפויים (אך הוא קטן יותר מדי) עם ציפויים רבים של ציפויים רבים של ציפויים רבים של ציפוי כפול (אך הוא קטן יותר מדי) עם ציפויים) עם שכבה אופטיים) עם ציפויים) עם שכבה עם שכבה הגנה דק יותר מתוחכם של ציפויים

טלסקופ סקר סינתטי גדול (Vera C. Robin Observatory)

המראה הראשי של LSST / מטר העליון / מטרי משתמש ציפוי חדש: שכבת 100nm של כסף מוגן על ידי שכבת 10nm של סיליקון (Si3N4) ושכבה עליונה של SiO2. ציפוי זה נותן <96% רפלקטיביות מעל 350-1050 nm, עם עמידות מעולה.הכסף נבחר על פני אלומיניום כדי למקסם את דרך אדום ו- מיפוי אנרגיה כהה (ST) נמצאים במרחק של חלב כהה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות רבה, ציפוי מראות טלסקופ גדולים נשאר מאתגר.הציפוי חייב להיות אחיד על פני השטח הענקי - וריאציות של 1% עובי יכול לשנות את שיא רפלקטיביות על ידי עשרות ננומטרים.ההתרחבות הארומית של תת-המתחים בתוך הציפוי יכול לעוות את דמות המראה.

התפתחויות חדשות כוללות:

  • (FLT:0)Nanostructured ציפויים: FLT:1 אלה משלבים גרורות אורכי משנה או ננופילרים כדי ליצור משטחים ⁇ -index המדכאים השתקפות על מגוון רחב של זוויות ואורכי גל.
  • (FLT:0) ציפויים ממכרים: FLT:1uing חומרים אלקטרו-אופטימיים שיכולים לשנות אינדקס השבירה בתחום חשמלי, אלה יכולים להתאים את רפלקטיביות בזמן אמת כדי לפצות על סחף תרמי או זיהום.
  • (FLT:0) ציפויים מרבי-ספקטרום: 1 עיצובים הממקסמים את הרקטיות בו זמנית באדום, קרוב לאדום, ואדומים תרמיים, המאפשרים לטלסקופ אחד לשרת מכשירים מרובים ללא החלפת מראות.
  • (FLT:0) ציפויים מנקיים: אנדרל 1 (איור 1:0) חומרים פוטו-קטליטיים (למשל, דו-חמצני טיטניום) שפורקים ממזהמים אורגניים תחת אור UV, מה שמפחית את הצורך לניקוי מראות גדולים.

ה-ELT:0) European Southern ObservatoryigtureFLT:1 כבר בודק ציפויים אבטיפוס עבור ELT המשלב כסף עם שכבות דיאלקטריות מתקדמות כדי להשיג > 97% רפלקטיביות מעל 400-2000 nm עם פחות מ 0.1% הנחה ב 10 מיקרומטר. ציפויים כאלה יאפשרו ל- ELT להתבונן אינפרא אדום ללא אותות זוהרים של המראה עצמו.

מסקנה

ציפויים רב-שכבות הם טכנולוגיה קריטית המאפשרת לטלסקופים מודרניים.על ידי שליטה בדיוק בהתערבות האור, הם מגבירים את רפלקטיביות, להפחית את הפיזור, לדכא רוחות, ולהגן על אופטיקה מן הסביבה.מהמראה המוגן על הכסף של LSST ועד ציפויי ה-UV העצומים על האבל ועל מראות מכוסים זהב של JWST, סרטים דקים אלה מאפשרים לדחוף את גבולות ההתבוננות של המדעים, כמו גם מצופה, עם מצופה יותר, כמו גם חומרים חזקים יותר, וטכניקות ייצור, משופרות, וגמישות, יותר, יותר, יותר, יותר, אשר משפרות, יותר, וגמישות, גם , מדגמיצים יותר, מדגימים יותר, מדגמיצים יותר, יותר, מדגמיית, ממערכות טלסקופים של , יותר, והופכים את הציפויימים יותר, יותר, ועוד, יותר, יותר ויותר, מדגימים יותר, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר, מגלקסיות, מגלקסיות, מגלקסיות יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, מגלקסיות משופרות, מגלקסיות, מדגימים יותר ויותר, מדגימים יותר ויותר, מדגימים, מדגימים יותר ויותר, מגלקסיות

(ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]] [ה] [ה]] [ה]]] [ה]]], [ה] [ה]]]ה'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']']'[ה']'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']']']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[