Come i rivestimenti multistrato migliorano le prestazioni dell'ottica del telescopio

L'astronomia moderna si basa sui telescopi che possono catturare la luce più sottile dalle galassie lontane, risolvere i dettagli planetari e sondare i primi momenti dell'universo. Nel corso del secolo scorso, una rivoluzione silenziosa nell'ingegneria ottica è stata lo sviluppo di rivestimenti multistrato per specchi e lenti telescopiche, che hanno progettato con precisione pile sottili e migliorano notevolmente la riflettività, riducono la luce randa, migliorano il contrasto e proteggono gli owoatori sensibili dall'ambiente di oggi.

Cosa sono i rivestimenti multistrato?

I rivestimenti multistrato sono impilati di film sottili, ciascuno con uno spessore e un indice rifrangente accuratamente scelto, depositati su un substrato ottico.Ingegnere l'interferenza della luce riflessa da ogni strato, questi rivestimenti possono raggiungere proprietà ben oltre ciò che un singolo materiale può offrire.Per le ottiche del telescopio, l'applicazione più importante sta migliorando la riflettività su una specifica gamma di lunghezze d'onda - spesso le regioni ultraviolette, visibili e quasi infrarotte.

Il principio di fondo è interferenza del film[]. Quando la luce incontra un confine tra due materiali con diversi indici refrattivi, parte di esso si riflette. Posizionando più strati con indici di rifrazione alti e bassi, le riflessioni di ogni interfaccia possono essere fatte per aggiungere costruttivamente (aumentare la riflettività totale) o distruttivamente (creare i filtri di onde di quarto-banda).

Progettazione e materiali

I modelli di rivestimento tipici utilizzano strati alternati di materiali ad alto indice (ad esempio, biossido di titanio, diossido di hafnium, peptossido di tantalio) e materiali a basso indice (ad esempio, diossido di silicio, fluoro di magnesio). Per applicazioni ad ultravioletto, vengono utilizzati materiali come ossido di alluminio e fluoro di litio.

Il software moderno di progettazione del rivestimento utilizza algoritmi di ottimizzazione, come l'ottimizzazione dell'ago o la ricerca globale robusta, per trovare lo stack di strati che meglio soddisfa la curva di riflettività di destinazione, mentre si tratta di tolleranze di produzione.

Come i rivestimenti multistrato migliorano le prestazioni del telescopio

Riflessività migliorata

Uno specchio in alluminio nudo riflette circa il 90% della luce visibile, ma questo scende a lunghezze d'onda più corte. Un rivestimento in argento convenzionale riflette più del 95% nel visibile e vicino infrarosso, ma si innaffia rapidamente. I rivestimenti dielettrici multistrato possono raggiungere riflessi superiori al 99% su bande larghe, e anche superare il 99,9% per applicazioni laser a banda stretta.

Ad esempio, i quattro specchi da 8,2 metri del Very Large Telescope (VLT)[] in Cile sono rivestiti con un rivestimento in argento protetto che produce circa il 98% di riflettività su 400–1000 nm. L'imminente Extremely Large Telescope (ELT)] userà il rivestimento termico avanzato multistrato dianalizzatore elettrico ad alta potenza

Riduzione della luce e della luce sparsa

Oltre all'assorbimento eretto, la luce può essere persa attraverso lo spargimento di microscratches, pori o polvere intrappolata nel rivestimento. I rivestimenti multistrato sono depositati in ambienti puliti e sottovuoto che producono superfici molto lisce. Inoltre, lo stack stesso può essere progettato per avere bassa dispersione utilizzando materiali con bassa rugosità superficiale e evitando brusche variazioni indice che creano la nebbia.

Questo è particolarmente importante per l'imaging ad alto contrasto, come l'imaging diretto di esopianeti. Gemini Planet Imager e SPHERE lo strumento sul VLT utilizza rivestimenti multistrato specializzati sulle loro ottiche coronagrafiche per sopprimere la diffrazione e lo spargimento dal pianeta madre, permettendo di essere fatico.

Miglioramento del contrasto e della risoluzione

I rivestimenti antiriflesso multistrato (AR) sulle lenti e sulle piastre correttori minimizzano questi effetti. Per un sistema di rifrazione multi-elementare, come lenti della fotocamera sui telescopi spaziali, i rivestimenti AR possono aumentare la trasmissione da circa l'80% a oltre il 99% per superficie, che sopprime anche le immagini fantasma causate da doppie riflessioni.

I rivestimenti multistrato permettono anche di progettare ] dicroici travi[] che si dividono la luce per colore con tagli molto taglienti. Questi sono utilizzati per alimentare più strumenti da un unico telescopio, come nel Telescopio spaziale acustico]]] Advanced Camera for Surveys, che utilizza filtri dicromatici separati.

Protezione contro danni ambientali

Le ottiche del telescopio sono esposte a condizioni difficili: estremi di temperatura, umidità, aria salata (per osservatori costieri), polvere e manipolazione. Rivestimenti in metallo nudo come alluminio rapidamente ossidare o corrodere. I rivestimenti multistrato agiscono come barriere ermetiche. Un tipico rivestimento in argento protetto comprende uno strato sottile di nitruro o nitruro di nichel o silicio sopra l'argento, seguito da un rivestimento dielettrico.

Gli specchi del Keck Observatory] nelle Hawaii sono rivestiti ogni 2-3 anni, ma sono in fase di sviluppo nuovi rivestimenti protetti in argento e dielettrico che potrebbero durare oltre un decennio, riducendo i tempi di fermo del telescopio e i costi di manutenzione.

Tipi di rivestimenti multistrato utilizzati nei telescopi

Rivestimenti dielettrici

I rivestimenti dielettrici sono costituiti interamente da materiali non conduttivi con indici ad alta e bassa rifrazione alternati, progettati per una elevata riflettività (R > 99,9%) su una larghezza di banda scelta, o per precise caratteristiche di trasmissione (filtri di passaggio, filtri di bordo). Poiché i dielettrici assorbono pochissima luce, sono ideali per applicazioni laser ad alta potenza, ma anche per osservazioni astronomiche dove anche l'assorbimento dello 0,1% può causare la distorsione termica dello specchio.

Una limitazione è che i rivestimenti dielettrici ad alta reflettività sono tipicamente a banda stretta, funzionano meglio su poche centinaia di nanometri. Per coprire lo spettro visibile completo, molti telescopi utilizzano un design a banda larga che impila picchi di riflettività multipli o utilizza un sottostrato metallico.

Rivestimenti metallici migliorati

I rivestimenti metallici (alluminio, argento, oro) sono semplici e a banda larga, ma soffrono di una minore riflettività e durata. Per superare questo, sono spesso sovracotti con uno o più strati dielettrici. Ad esempio, un rivestimento "argento protetto" ha tipicamente uno strato d'argento, uno strato sottile di barriera per prevenire la decolorazione, e uno strato dielettrico che aumenta anche la riflettività a lunghezze d'onda più corte.

L'oro è usato per telescopi a infrarossi perché ha una riflettività del >98% da 700 nm a oltre 10 μm. La Facility NASA Infrared Telescope (IRTF) e il ]]I telescopi acuti devono essere facilmente protetti da graffio morbido utilizzare rivestimenti d'oro.

Rivestimenti antiriflesso

I rivestimenti AR sono l'inverso dei rivestimenti riflettenti: minimizzano la riflessione all'interfaccia tra aria e vetro (o tra diversi elementi di vetro). Un singolo strato di fluoro a onde quadrate può ridurre la riflessione dal 4% al circa 1,5% per superficie. I rivestimenti Multilayer AR possono raggiungere la riflettività inferiore allo 0,2% attraverso la banda visibile.

I rivestimenti speciali AR sono utilizzati anche sulle finestre dei rivelatori criogenici per evitare riflessi che potrebbero creare stray pattern di luce.

Filtri a banda stretta e a rete

I filtri di interferenza sono rivestimenti multistrato progettati per trasmettere una banda di lunghezza d'onda stretta (ad esempio, 10 nm di larghezza) e riflettere tutti gli altri. Questi sono utilizzati in indagini fotometriche per isolare le linee spettrali specifiche (ad esempio, H-alfa, ossigeno III). Sono utilizzati anche in Interferometri di FATRO[F1] per lo spettro di alta risoluzione

I rivestimenti rigidi, quelli che utilizzano materiali come SiO2 e Ta2O5 depositati da ion-beam sputtering, sono estremamente stabili e resistenti all'umidità, rendendoli adatti per un uso esterno a lungo termine nei siti di osservazione più remoti.

Tecniche di produzione e rivestimento

Il deposito di rivestimenti multistrato richiede camere a vuoto ultra-alti, controllo preciso della temperatura e monitoraggio accurato dello spessore dello strato.

  • Electron-beam evaporazione:[] Un fascio di elettroni concentrato riscalda il materiale di rivestimento in un crogiolo, causando l'evaporazione e la condense sul substrato.
  • Deposizione assistita da ioni (IAD): Un fascio ion bombarda il film in crescita, rendendolo più denso e più duro. Questo riduce l'assorbimento e lo spargimento, e migliora l'adesione.
  • Ion-beam sputtering (IBS): Un materiale di ion beam sputters da un solido obiettivo sul substrato. Questo produce i film più densi e più lisci, con spargimento eccezionalmente basso.
  • Deposizione a strati atomici (ALD):[] Un processo chimico che cresce film uno strato atomico alla volta. Fornisce una perfetta conformità su forme complesse e controllo dello spessore estremo.

Per grandi specchi (8 metri o più), la camera deve essere enorme, la struttura di rivestimento ESO[] per gli specchi VLT è uno dei più grandi al mondo, in grado di gestire specchi a 8,2 metri di diametro.

Evoluzione storica

I primi specchietti pratici del telescopio sono stati realizzati in metallo speculare (una lega di rame e stagno), che aveva solo circa il 60% di riflettività. Nel XIX secolo, specchi d'argento su vetro - fatti da argento chimicamente depositando - sono diventati popolari, raggiungendo circa il 90% di riflettività ma in rapida stagnatura.

La necessità di una migliore riflettività ultravioletta per telescopi basati su spazi ha portato lo sviluppo di rivestimenti dielettrici multistrato negli anni '60 e '70. Il Telescopio spaziale Hubble[] (lanciato 1990) ha utilizzato specchi in alluminio sovracoperti con fluoro di magnesio per migliorare la riflettività ultravioletta.

Oggi, praticamente tutti i nuovi grandi telescopi utilizzano una qualche forma di rivestimento multistrato sui loro specchi primari, secondari e terziari. La tecnologia di rivestimento è diventata un campo specializzato, con aziende come Materion, Optics ECI e OptiLayer GmbH] che forniscono soluzioni personalizzate per gli osservatori.

Case Studies: Telescopi che utilizzano rivestimenti multistrato

Telescopio spaziale Hubble

Lo specchio primario di Hubble è un substrato di silice fuso da 2,4 metri rivestito con uno strato di alluminio puro da 100 nm, con uno strato di 25 nm di fluoro di magnesio. Questo rivestimento offre una riflettività del 70% a Lyman-alpha (121.6 nm) e >90% nel visibile. Tuttavia, per la regione di assorbimento

Telescopio spaziale James Webb

I segmenti di specchietto a berillio esagonale di JWST sono rivestiti con uno strato sottile di oro (circa 100 nm) per massimizzare la riflettività a infrarossi. La riflettività dell'oro è >98% da 0,7 a 30 μm. L'oro è sovracoperto con uno strato protettivo molto sottile di SiO2 amorfo (solo circa 5 nm) per evitare graffi durante la manipolazione.

Telescopio a rilevamento sintottico (Osservatorio Vera C. Rubin)

Lo specchio primario/tertiario LSST impiega un rivestimento innovativo: uno strato di argento da 100 nm protetto da uno strato di nitruro di silicio da 10 nm (Si3N4) e uno strato superiore di SiO2. Questo rivestimento conferisce una riflettività del >96% su 350-1050 nm, con un'eccellente durata. L'argento è stato scelto sopra l'alluminio per massimizzare la produttività negli obiettivi di scienza concentrata del Milky e vicino allo sviluppo.

Sfide e direzioni future

Nonostante molti progressi, il rivestimento di grandi specchi telescopici rimane impegnativo. Il rivestimento deve essere uniforme su una superficie gigante—una variazione dell'1% di spessore può spostare il picco di riflettività da decine di nanometri. L'espansione termica del substrato e gli stress all'interno del rivestimento può distorcere la figura dello specchio.

I nuovi sviluppi includono:

  • Rivestimenti strutturati:[ Questi incorporano grattugiature di lunghezza d'onda o nanopillari per creare superfici di gradiente-index che sopprimano riflessi su un'ampia gamma di angoli e lunghezze d'onda.
  • Rivestimenti adattivi:[] Utilizzando materiali elettro-ottici che possono cambiare l'indice di rifrazione in un campo elettrico, questi potrebbero regolare la riflettività in tempo reale per compensare la deriva termica o la contaminazione.
  • Rivestimenti multispettivi:[] Disegni che massimizzano la riflettività simultaneamente nel visibile, vicino all'infrarosso e all'infrarosso termico, consentendo ad un singolo telescopio di servire più strumenti senza specchi di palude.
  • Rivestimenti di pulizia:[] Materiali fotocatalitici (ad esempio, biossido di titanio) che abbattere contaminanti organici sotto luce UV, riducendo la necessità di pulire grandi specchi.

L'Osservatorio Europeo del Sud sta già testando i rivestimenti prototipi per l'ELT che combinano l'argento con gli strati dielettrici avanzati per raggiungere la riflettività del >97% oltre 400–2000 nm con meno di 0,1% emissività a 10 μm. Tali rivestimenti consentiranno all'ELT di osservare nell'infrarosso termico senza i segnali di faint oscillazione dello specchio.

Conclusioni

I rivestimenti multistrato sono una tecnologia che consente ai telescopi moderni. Controllando con precisione le interferenze della luce, aumentano la riflettività, riducono lo spargimento, soppresse i fantasmi e proteggono l'ottica dall'ambiente. Dal mirror protetto dall'argento dell'LSST ai delicati rivestimenti UV su Hubble e gli specchi in oro di JWST, questi film sottili permettono agli astronomi di spingere i confini dell'osservazione.

Ulteriori informazioni:[] Per ulteriori informazioni sul design del rivestimento, vedere Ottiche per l'articolo U su rivestimenti multistrato[]. I dettagli tecnici sui metodi di deposizione sono disponibili da Optics.