Как многослойные покрытия улучшают производительность оптики телескопа

Как многослойные покрытия улучшают производительность оптики телескопа

Современная астрономия опирается на телескопы, которые могут захватывать слабейший свет от далеких галактик, разрешать тонкие планетарные детали и исследовать самые ранние моменты Вселенной. За последнее столетие тихая революция в оптической инженерии заключалась в разработке многослойных покрытий для зеркал и линз телескопа. Эти точно спроектированные тонкопленочные стеки резко повышают отражательную способность, уменьшают рассеянный свет, улучшают контрастность и защищают чувствительную оптику от окружающей среды. Без них гигантские обсерватории сегодня - и даже многие любительские инструменты - были бы гораздо менее способны.

Что такое многослойные покрытия?

Многослойные покрытия представляют собой стопки тонких пленок, каждая из которых имеет тщательно подобранную толщину и показатель преломления, нанесенные на оптическую подложку. Благодаря проектированию интерференции света, отраженного от каждого слоя, эти покрытия могут достигать свойств, намного превосходящих то, что может предложить один материал. Для оптики телескопа наиболее важным применением является повышение отражательной способности в определенном диапазоне длин волн - часто ультрафиолетовых, видимых и ближне-инфракрасных областях, где производятся астрономические наблюдения.

Основополагающим принципом является тонкопленочная интерференция. Когда свет сталкивается с границей между двумя материалами с различными показателями преломления, часть его отражается. Помещая несколько слоев с чередующимися высокими и низкими показателями преломления, отражения от каждого интерфейса могут быть сделаны, чтобы конструктивно (повышая общую отражательную способность) или деструктивно (создавая антирефлексионные или узкополосные фильтры). Толщина каждого слоя обычно составляет часть длины волны света — часто четверть волны (λ/4) или иногда полуволны — для управления фазой мешающих лучей.

Дизайн и материалы

Типичные конструкции покрытий используют чередующиеся слои материалов с высоким индексом (например, диоксид титана, диоксид гафния, пентоксид тантала) и материалов с низким индексом (например, диоксид кремния, фторид магния). Для ультрафиолетовых применений используются такие материалы, как оксид алюминия и фторид лития. Количество слоев может варьироваться от нескольких до более 100, в зависимости от желаемой производительности. Каждый слой осаждается с точностью до нанометра с использованием таких методов, как испарение электронного пучка, распыление ионного пучка или осаждение атомного слоя.

Современное программное обеспечение для проектирования покрытий использует алгоритмы оптимизации, такие как оптимизация игл или надежный глобальный поиск, чтобы найти слой, который наилучшим образом соответствует кривой отражения цели, учитывая допуски производства. Это особенно важно для телескопов, которые должны работать в широком спектральном диапазоне, например, на космических обсерваториях, таких как Хаббл или JWST.

Как многослойные покрытия улучшают работу телескопа

Улучшенная рефлексивность

Голое алюминиевое зеркало отражает около 90% видимого света, но это падает при более коротких длинах волн. Обычное серебряное покрытие отражает более 95% в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, но быстро тускнеет. Многослойные диэлектрические покрытия могут достигать отражательной способности выше 99% по широким полосам и даже превышать 99,9% для узкополосных лазерных применений. Для большого телескопа каждый процент повышенной отражательной способности означает, что больше фотонов достигают детектора - критически важно для наблюдения чрезвычайно слабых объектов, таких как галактики с высоким красным смещением или экзопланеты.

Например, четыре 8,2-метровых зеркала Очень Большого Телескопа (VLT) в Чили покрыты защищенным серебряным покрытием, которое дает около 98% отражательной способности на 400-1000 нм. Предстоящий Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT) будет использовать передовые многослойные диэлектрические покрытия на своем 39-метровом первичном зеркале для поддержания высокой отражательной способности при минимизации теплового излучения.

Уменьшение потери света и рассеянный свет

Помимо прямого поглощения, свет может быть потерян при рассеянии из микроскретчей, пор или пыли, попавших в покрытие. Многослойные покрытия осаждаются в чистых, вакуумных средах, которые производят очень гладкие поверхности. Более того, сам стек может быть спроектирован так, чтобы иметь низкое рассеяние с использованием материалов с низкой шероховатостью поверхности и избегая резких изменений индекса, которые создают дымку. Современные процессы осаждения с помощью ионов производят плотные, твердые пленки, которые сопротивляются царапинам и уменьшают рассеяние на несколько порядков по сравнению с традиционными испаренными покрытиями.

Это особенно важно для высококонтрастной визуализации, такой как прямая визуализация экзопланет. Gemini Planet Imager и SPHERE Инструмент VLT использует специализированные многослойные покрытия на своей коронаграфической оптике для подавления дифракции и рассеяния от родительской звезды, позволяя обнаруживать слабый сигнал планеты.

Улучшенная контрастность и разрешение

Блеск и призраки — нежелательные отражения между оптическими поверхностями — уменьшают контраст и могут имитировать слабые астрономические источники. Многослойные антирефлексионные (AR) покрытия на линзах и корректирующих пластинах минимизируют эти эффекты. Для многоэлементной преломляющей системы, такой как объективы камеры на космических телескопах, AR-покрытия могут увеличить передачу от около 80% до более 99% на поверхность. Это также подавляет изображения призраков, вызванные двойными отражениями.

Многослойные покрытия также позволяют создавать дихроические блики, которые разделяют свет по цвету с очень резкими отсечками. Они используются для подачи нескольких инструментов с одного телескопа, например, в Advanced Camera for Surveys (FLT: 3) космического телескопа Хаббла, который использует дихроические фильтры для разделения ультрафиолетового и видимого света.

Защита от экологического ущерба

Оптика телескопа подвергается суровым условиям: экстремальным температурам, влажности, соленому воздуху (для прибрежных обсерваторий), пыли и обращению. Жидкие металлические покрытия, такие как алюминий, быстро окисляются или корродируют. Многослойные покрытия действуют как герметичные барьеры. Типичное защищенное серебряное покрытие включает тонкий слой нитрида никеля или кремния над серебром, за которым следует диэлектрическое покрытие. Это предотвращает затуманивание и может продлить срок службы зеркального покрытия от месяцев до десятилетий.

Зеркала обсерватории Кека на Гавайях ограждаются каждые 2–3 года, но разрабатываются новые защищенные серебряные и диэлектрические покрытия, которые могут длиться более десяти лет, сокращая время простоя телескопа и затраты на техническое обслуживание. Для космических обсерваторий, где ограждение невозможно, покрытия должны выдерживать вибрацию запуска и годы излучения и теплового цикла. Космические зеркала Джеймса Уэбба с золотым покрытием используют тонкий слой золота над слоем адгезии никель-хрома, но для оптимальной отражательной способности в инфракрасном диапазоне они также используют многослойные диэлектрические покрытия на определенных оптических элементах.

Типы многослойных покрытий, используемых в телескопах

Диэлектрические покрытия

Диэлектрические покрытия полностью состоят из непроводящих материалов с чередующимися высокими и низкими показателями преломления. Они могут быть рассчитаны на чрезвычайно высокую отражательную способность (R > 99,9%) по выбранной полосе пропускания или на точные характеристики передачи (фильтры пропускания полосы, краевые фильтры). Поскольку диэлектрики поглощают очень мало света, они идеально подходят для мощных лазерных применений, а также для астрономических наблюдений, где даже 0,1% поглощения может вызвать тепловое искажение зеркала.

Одно из ограничений заключается в том, что диэлектрические покрытия с высокой светоотражающей способностью обычно имеют узкополосный диапазон — они лучше всего работают на нескольких сотнях нанометров. Для покрытия всего видимого спектра многие телескопы используют широкополосную конструкцию, которая складывается из нескольких пиков отражательной способности или использует металлический подслой. Телескопы Pan-STARRS, которые исследуют все небо в пяти оптических диапазонах, используют широкополосное диэлектрическое покрытие, которое дает > 98% отражательной способности от 400 до 1100 нм.

Улучшенные металлические покрытия

Металлические покрытия (алюминий, серебро, золото) просты и широкополосны, но они страдают от более низкой отражательной способности и долговечности. Для преодоления этого они часто покрыты одним или несколькими диэлектрическими слоями. Например, «защищенное серебряное» покрытие обычно имеет слой серебра, тонкий барьерный слой для предотвращения затуманивания, и диэлектрический слой, который также повышает отражательную способность на более коротких длинах волн. Теперь они являются стандартом для многих крупных телескопов.

Золото используется для инфракрасных телескопов, потому что оно имеет >98% отражательной способности от 700 нм до более 10 мкм. Объект инфракрасного телескопа НАСА (IRTF) и Кек телескопов ближней инфракрасной оптики используют золотые покрытия.

Антибликовые покрытия

AR покрытия являются обратными отражающим покрытиям: они минимизируют отражение на границе между воздухом и стеклом (или между различными стеклянными элементами). Один четвертьволновый слой фторида магния может уменьшить отражение с 4% до примерно 1,5% на поверхность. Многослойные AR покрытия могут достигать отражательной способности ниже 0,2% по всей видимой полосе. Они необходимы для сложных систем линз, таких как те, которые используются в Hyper Suprime-Cam на телескопе Subaru, который имеет более 100 поверхностей линз.