Hoe meerdere lagen coatings verbeteren de prestaties van telescoop-optica

De moderne astronomie is gebaseerd op telescopen die het zwakste licht van verre sterrenstelsels kunnen vangen, fijne planetaire details kunnen oplossen en de vroegste momenten van het universum kunnen onderzoeken. In de afgelopen eeuw is een stille revolutie in optische techniek de ontwikkeling geweest van meerlaagse coatings voor telescoopspiegels en lenzen. Deze precies ontworpen dunne-film stapels sterk verbeteren reflectiviteit, verminderen verdwaallicht, verbeteren contrast, en beschermen gevoelige optiek tegen het milieu. Zonder hen, de reusachtige observaties van vandaag de dag ..en zelfs vele amateur instrumenten .. veel minder geschikt.

Wat zijn meerlaags coatings?

Meerlaagse coatings zijn stapels dunne folies, elk met een zorgvuldig gekozen dikte en brekingsindex, afgezet op een optische ondergrond. Door de interferentie van licht te ontwikkelen die van elke laag wordt gereflecteerd, kunnen deze coatings eigenschappen bereiken die veel verder gaan dan wat een enkel materiaal kan bieden. Voor telescoopoptica is het belangrijkste gebruik het verbeteren van de reflectie over een specifiek golflengtebereik.Vaak de ultraviolette, zichtbare en bijna-infrarood gebieden waar astronomische waarnemingen worden gemaakt.

Het onderliggende principe is dunne-filminterferentie. Wanneer licht een grens tegenkomt tussen twee materialen met verschillende brekingsindices, wordt een deel ervan gereflecteerd. Door meerdere lagen met afwisselend hoge en lage brekingsindices te plaatsen, kunnen de reflecties van elke interface constructief (toenemende totale reflectieve indices) of destructief (het creëren van antireflectie- of smalbandfilters) worden toegevoegd. De dikte van elke laag is typisch een fractie van de golflengte van licht dat een kwartgolf (λ/4) of soms halfgolf is om de fase van de interfererende bundels te regelen.

Ontwerp en materialen

Typische coating ontwerpen maken gebruik van afwisselende lagen van hoog-index materialen (bv. titaniumdioxide, hafniumdioxide, tantaliumpentoxide) en laag-index materialen (bv. siliciumdioxide, magnesiumfluoride). Voor ultraviolette toepassingen worden materialen zoals aluminiumoxide en lithiumfluoride gebruikt. Het aantal lagen kan variëren van slechts een paar tot meer dan 100, afhankelijk van de gewenste prestaties. Elke laag wordt afgezet met nanometer precisie met behulp van technieken zoals elektronen-beam verdamping, ion-beam sputteren, of atomaire laag depositie.

Moderne coating ontwerp software maakt gebruik van optimalisatie algoritmen . Zoals naald optimalisatie of robuuste wereldwijde zoekopdracht . Om de laag stapel die het beste voldoet aan de doel reflectiviteit curve te vinden , terwijl rekening houdend met de fabricage toleranties . Dit is vooral belangrijk voor telescopen die moeten werken over een breed spectrum bereik , zoals die op ruimte observatories zoals Hubble of JWST .

Hoe meerdere lagen coatings de telescoopprestaties verbeteren

Verbeterde reflectie

Een kale aluminiumspiegel reflecteert ongeveer 90% van zichtbaar licht, maar dit daalt bij kortere golflengten. Een conventionele zilverlaag weerspiegelt meer dan 95% in het zichtbare en bijna-infrarood, maar tarnishes snel. Meerlaagse diëlektrische coatings kunnen reflectiviteiten boven 99% bereiken over brede banden, en zelfs meer dan 99,9% voor smalband lasertoepassingen. Voor een grote telescoop betekent elke procent van verhoogde reflectiviteit dat meer fotonen de detector bereiken.

Zo worden de vier 8,2-meter spiegels van de Zeer grote telescoop (VLT) in Chili bekleed met een beschermde zilverlaag die ongeveer 98% reflectiviteit over 400

Verminderd lichtverlies en vervaagd licht

Naast de directe absorptie, kan licht verloren gaan door verstrooiing van microkrasen, poriën of stof gevangen in de coating. Meerlaagse coatings worden afgezet in schone, vacuümomgevingen die zeer gladde oppervlakken produceren. Bovendien kan de stack zelf worden ontworpen om lage verstrooiing door het gebruik van materialen met lage oppervlakte ruwheid en door abrupte index veranderingen die waas veroorzaken te voorkomen. Moderne ion-ondersteunde depositie processen produceren dichte, harde films die bestand zijn tegen krassen en verminderen verstrooiing door verschillende orden van grootte in vergelijking met traditionele verdampte coatings.

Dit is vooral belangrijk voor high-contrast beeldvorming, zoals directe beeldvorming van exoplaneten. Het Gemini Planet Imager en SPHERE[] instrument op de VLT gebruikt gespecialiseerde meerlaags coatings op hun coronagrafische optiek om diffractie en verstrooiing van de ouderster te onderdrukken, waardoor het signaal van de zwakke planeet kan worden gedetecteerd.

Verbeterde contrast en resolutie

Glare en spoken. Ongewenste reflecties tussen optische oppervlakken verminderen contrast en kunnen zwakke astronomische bronnen nabootsen. Meerlaagse antireflectie (AR) coatings op lenzen en correctorplaten minimaliseren deze effecten. Voor een multi-element reflectief systeem, zoals de cameralenzen op ruimtetelescopen, kunnen AR coatings de transmissie verhogen van ongeveer 80% tot meer dan 99% per oppervlak. Dit onderdrukt ook spookbeelden veroorzaakt door dubbele reflecties.

Meerlaagse coatings maken het ook mogelijk om dichroïsche bundelsplitters te ontwerpen die licht door kleur splitsen met zeer scherpe cutoffs. Deze worden gebruikt om meerdere instrumenten van één telescoop te voeden, zoals in de Hubble Space Telescope's Advanced Camera for Surveys, die dichroïsche filters gebruikt om ultraviolet en zichtbaar licht te scheiden.

Bescherming tegen milieuschade

Telescoopoptiek wordt blootgesteld aan zware omstandigheden: temperatuurextremen, vochtigheid, zoutlucht (voor kustobservatories), stof en hantering. Nat metaal coatings zoals aluminium oxideren of corroderen snel. Meerlaagse coatings fungeren als hermetische barrières. Een typische beschermde zilverlaag omvat een dunne laag nikkel-chroom of siliciumnitride over het zilver, gevolgd door een diëlektrische overjas. Dit voorkomt bezeming en kan de levensduur van een spiegelcoating van maanden tot decennia verlengen.

De spiegels van de Keck Observatory in Hawaï worden om de 2

Soorten meerlaags coatings gebruikt in telescopen

Diëlektrische bekledingen

Diëlektrische coatings bestaan geheel uit niet-geleidende materialen met afwisselend hoge en lage brekingsindices. Ze kunnen worden ontworpen voor extreem hoge reflectiviteit (R > 99,9%) over een gekozen bandbreedte, of voor nauwkeurige transmissiekenmerken (banddoorlaatfilters, randfilters). Omdat diëlektrische filters zeer weinig licht absorberen, zijn ze ideaal voor high-power laser toepassingen, maar ook voor astronomische waarnemingen waarbij zelfs 0,1% absorptie thermische vervorming van de spiegel kan veroorzaken.

Een beperking is dat hoge reflectiviteits-ondoordringbare coatings meestal smalband thys werken het beste over een paar honderd nanometers. Om het volledige zichtbare spectrum te dekken, veel telescopen gebruiken een breedband ontwerp dat stapelt meerdere reflectiviteit pieken of gebruik maakt van een metalen onderlaag. De Pan-STARRS telescopen, die de hele hemel in vijf optische banden, gebruik maken van een breedband-ondoordringbare coating die geeft >98% reflectiviteit van 400 tot 1100 nm.

Verbeterde metalen bekledingen

Metaalcoatings (aluminium, zilver, goud) zijn eenvoudig en breedband, maar ze hebben een lagere reflectie en duurzaamheid. Om dit te overwinnen, worden ze vaak overgestreken met een of meer diëlektrische lagen. Bijvoorbeeld, een "beschermde zilveren" coating heeft meestal een zilveren laag, een dunne barrière laag om te voorkomen dat tarnishing, en een diëlektrische laag die ook verhoogt reflectiviteit bij kortere golflengten. Dit zijn nu de standaard voor veel grote telescopen.

Goud wordt gebruikt voor infraroodtelescopen omdat het >98% reflectiviteit heeft van 700 nm tot meer dan 10 μm. De NASA Infraroodtelescoopfaciliteit (IRTF) en de Kecktelescopen gebruiken de bijna-infraroodoptiek] echter goudcoatings. Goud is zacht en gemakkelijk gekrabd, dus moet het met een overjas worden beschermd.

Anti-reflectieve coatings

AR coatings zijn de inverse van reflecterende coatings: ze minimaliseren reflectie op de interface tussen lucht en glas (of tussen verschillende glaselementen). Een enkele kwartgolflaag magnesiumfluoride kan reflectie verminderen van 4% tot ongeveer 1,5% per oppervlak. Meerlaags AR coatings kunnen reflectiviteit bereiken onder 0,2% over de zichtbare band. Deze zijn essentieel voor complexe lenssystemen, zoals die gebruikt worden in de Hyper Suprime-Cam op de Subaru Telescope, die meer dan 100 lensoppervlakken heeft.

Speciale AR coatings worden ook gebruikt op de ramen van cryogene detectoren om reflecties te vermijden die verdwaalde lichtpatronen kunnen creëren.

Filters voor smalband- en hardcoatfilters

Interferentiefilters zijn coatings met meerdere lagen die ontworpen zijn om een smalle golflengteband (bv. 10 nm breed) uit te zenden en alle andere te weerspiegelen. Deze worden gebruikt in fotometrische onderzoeken om specifieke spectrale lijnen te isoleren (bv. H-alfa, zuurstof III). Ze worden ook gebruikt in Fabry-Pérot interferometers voor hoge resolutie spectroscopie. Het VLT's MUSE] instrument gebruikt een groot aantal smalbandfilters van meerlagige coatings.

Harde coatings die materialen zoals SiO2 en Ta2O5 gebruiken die door ionenbundelsputtering zijn afgezet, zijn uiterst stabiel en bestand tegen vochtigheid, waardoor ze geschikt zijn voor langdurig gebruik buitenshuis in de meest afgelegen observatoriumsites.

Productie- en coatingtechnieken

Depots met meerdere lagen vereisen ultra-hoge vacuümkamers, nauwkeurige temperatuurregeling en nauwkeurige controle van de laagdikte. De belangrijkste gebruikte methoden zijn:

  • Electron-beam verdamping: Een gerichte elektronenstraal verwarmt het coatingmateriaal in een smeltkroes, waardoor het verdampt en condenseert op het substraat. Gewoonlijk voor metalen en eenvoudige oxiden, maar produceert poreuze films met een lagere dichtheid.
  • Ion-assisted depositie (IAD): Een ionenbundel bombardeert de groeiende film, waardoor het dichter en harder. Dit vermindert absorptie en verstrooit, en verbetert de hechting. IAD is nu standaard voor hoogwaardige diëlektrische coatings.
  • Ionenstraal sputteren (IBS): Een ionenbundel sputtert materiaal uit een solide doel op het substraat. Dit produceert de dichtste, gladste films, met uitzonderlijk lage verstrooiing. Gebruikt voor de meest veeleisende toepassingen zoals laser gyro spiegels en röntgentelescopen.
  • Atomaire laag depositie (ALD): Een chemisch proces dat films een atoomlaag tegelijk groeit. Het zorgt voor perfecte overeenstemming met complexe vormen en extreme dikte controle. ALD wordt gebruikt voor beschermende coatings op grote, gebogen spiegels en voor delicate nanogestructureerde optiek.

Het vacuüm van de coatingkamer moet zich in het bereik van 10−6 tot 10−8 Torr bevinden om verontreiniging te voorkomen. Voor grote spiegels (8 meter of meer) moet de kamer enorm groot zijn. De coatingfaciliteit van ESO voor de VLT spiegels is een van de grootste ter wereld, die in staat is om 8,2-meter-diameter spiegels te hanteren.

Historische evolutie

De eerste praktische telescoop spiegels werden gemaakt van speculum metaal (een legering van koper en tin), die slechts ongeveer 60% reflectiviteit had. In de 19e eeuw, zilver-op-glas spiegels . .gemaakt door chemisch deponeren zilver . werd populair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

De behoefte aan een betere ultraviolette reflectie voor ruimtetelescopen stuwde de ontwikkeling van meerlagige diëlektrische coatings in de jaren 1960 en 1970. De Hubble Space Telescope (gelanceerd 1990) gebruikte aluminiumspiegels die overgecoat waren met magnesiumfluoride om de ultraviolette reflectie te verbeteren. Latere instrumenten, zoals de Advanced Camera for Surveys[ (2002), gebruikten meerlaagse diëlektrische coatings om >95% reflectiviteit van 150 nm tot 1100 nm te bereiken.

Vandaag de dag gebruiken vrijwel alle nieuwe grote telescopen een of andere vorm van meerlaagscoating op hun primaire, secundaire en tertiaire spiegels. Coatingtechnologie is een gespecialiseerd gebied geworden, met bedrijven als Materion, ECO Optics en OptiLayer GmbH die aangepaste oplossingen bieden voor waarnemingsposten.

Case Studies: Telescopen met behulp van meerdere lagen coatings

Hubble Space Telescope

De primaire spiegel van Hubble is een 2,4 meter gesmolten siliciumsubstraat bedekt met een 100-nm dikke laag zuiver aluminium, met een 25-nm laag magnesiumfluoride. Deze coating levert meer dan 70% reflectiviteit bij Lyman-alpha (121,6 nm) en >90% in het zichtbare. Echter, voor de Cosmic Origins Spectrograph, werd een speciale meerlaags coating aangebracht op de optiek om de reflectiviteit in de veruit ondoordringbare (115

James Webb Space Telescope

De 18 zeskantige spiegelsegmenten van JWST zijn bekleed met een dunne laag goud (ongeveer 100 nm) om de infraroodreflectie te maximaliseren. De reflectie van goud is >98% van 0,7 tot 30 μm. Het goud is bedekt met een zeer dunne beschermende laag van ondoordringbare SiO2 (slechts ongeveer 5 nm) om krabben tijdens het hanteren te voorkomen. Echter, de goudcoating zelf is niet een enkele laag ..maar veel van de kleinere optische elementen in JWST (filters, dichroics, en lenzen) maken gebruik van geavanceerde multilaags ondoordringbare coatings.

Grote synoptische enquêtetelescoop (Vera C. Rubin Observatory)

De 8,4 meter primaire/tertiaire spiegel van de LSST gebruikt een nieuwe coating: een 100-nm laag zilver beschermd door een 10-nm laag siliciumnitride (Si3N4) en een bovenste laag van SiO2. Deze coating geeft >96% reflectiviteit over 350.050 nm, met uitstekende duurzaamheid. Het zilver werd gekozen over aluminium om de doorvoer te maximaliseren in het rood en bijna-infrarood, waar de wetenschappelijke doelstellingen van LSST (het bestuderen van donkere energie en het in kaart brengen van de Melkweg) zijn geconcentreerd.

Uitdagingen en toekomstige aanwijzingen

Ondanks vele vooruitgangen blijven de coatings van grote telescoopspiegels uitdagend. De coating moet uniform zijn over een reusachtig oppervlak.Een variatie van 1% in dikte kan de reflectiepiek verschuiven door tientallen nanometers. De thermische expansie van het substraat en de spanningen binnen de coating kunnen de spiegelfiguur verstoren. De coatingmaterialen moeten stabiel zijn onder ultraviolette straling (vooral voor ruimtetelescopen) en bestand zijn tegen atoomzuur in een lage baan van de aarde.

Nieuwe ontwikkelingen zijn onder meer:

  • Nanogestructureerde coatings: Deze bevatten subgolflengte roosters of nanostijlen om gradiënt-index oppervlakken te creëren die reflecties onderdrukken over een breed scala van hoeken en golflengten. Zulke "moth-eye" coatings worden ontwikkeld voor hoge-transmissie lenzen.
  • Aangepaste coatings: Met behulp van elektro-optische materialen die de brekingsindex in een elektrisch veld kunnen veranderen, kunnen deze relaisiviteit in real-time aanpassen om thermische drift of verontreiniging te compenseren.
  • Multi spectrale coatings: Ontwerpen die de reflectie maximaliseren in het zichtbare, bijna infrarood en thermische infrarood, waardoor een enkele telescoop meerdere instrumenten kan bedienen zonder spiegeltjes te wisselen.
  • Zelfreinigende coatings: Fotokatalytische materialen (bv. titaandioxide) die organische verontreinigingen afbreken onder UV-licht, waardoor de noodzaak voor het reinigen van grote spiegels wordt verminderd.

De Europese Zuidelijke Sterrenwacht test reeds prototypecoatings voor de ELT die zilver combineren met geavanceerde diëlektrische lagen om een reflectie van >97% over 400

Conclusie

Meerlaagse coatings zijn een kritische technologie voor moderne telescopen. Door de interferentie van het licht nauwkeurig te regelen, verhogen ze de reflectie, verminderen ze verstrooiing, onderdrukken ze spoken en beschermen ze de optiek van het milieu. Van de zilver-beschermde spiegel van de LSST tot de delicate UV-coatings op Hubble en de goud-gecoate spiegels van JWST, deze dunne films laten astronomen toe om de grenzen van observatie te verleggen. Naarmate coatings de wetenschap vooruit komen met nanos ›-, adaptieve materialen, en verbeterde productietechnieken .future telescopen zullen nog krachtiger zijn, waardoor het universum steeds groter wordt.

Verdere lezing: Voor meer over coatingontwerp, zie Optiek voor U-artikel over meerlaags coatings. Technische details over depositiemethoden zijn beschikbaar van Edmund Optics. Specifieke telescoopcoatingprogramma's worden gedocumenteerd door ]ESO's coatinggroep.