Las tecnologías que dependen de sistemas ópticos livianos y de alta precisión, como los telescopios espaciales, los espejos de rayos X y los paneles de visualización, se han desarrollado significativamente en las últimas décadas, pero el progreso más avanzado se ha visto limitado por desafíos aparentemente simples. Por ejemplo, las superficies de espejos y placas con microestructuras que son necesarias en estos sistemas ópticos pueden distorsionarse por los materiales de recubrimiento de la superficie estresados, degradando la calidad óptica. Esto es especialmente cierto para los sistemas ópticos ultraligeros, como la óptica espacial, donde los métodos de fabricación óptica tradicionales luchan por cumplir con los requisitos de forma exactos.

Ahora, los investigadores del MIT Youwei Yao, Ralf Heilmann y Mark Schattenburg del Laboratorio de Nanotecnología Espacial (SNL) dentro del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, así como el recién graduado Brandon Chalifoux Ph.D., han ideado nuevos métodos para trabajar más allá esta barrera.

En un artículo que aparece en la edición del 20 de abril de Optica , Yao, científico investigador y autor principal del artículo, explica su nuevo enfoque para remodelar materiales de placas delgadas de una manera que elimina la distorsión y permite a los investigadores doblar superficies de manera más arbitraria en las formas precisas y complejas que puedan necesitar. La conformación de placas delgadas se usa típicamente para sistemas complejos de alto nivel, como espejos deformables o procesos de aplanamiento de obleas durante la fabricación de semiconductores, pero esta innovación significa que la producción futura será más precisa, escalable y económica. Yao y el resto del equipo imaginan que estas superficies más delgadas y fácilmente deformables pueden ser útiles en aplicaciones más amplias, como visores de realidad aumentada y telescopios más grandes que pueden enviarse al espacio a menor costo. "El uso de tensión para deformar superficies ópticas o semiconductoras no es nuevo, pero al aplicar tecnología litográfica moderna, podemos superar muchos de los desafíos de los métodos existentes", dice Yao.

El trabajo del equipo se basa en la investigación de Brandon Chalifoux, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Arizona. Chalifoux trabajó con el equipo en artículos anteriores para desarrollar un formalismo matemático para conectar los estados de tensión de la superficie con las deformaciones de las placas delgadas, como parte de su doctorado en ingeniería mecánica.

En este nuevo enfoque, Yao ha desarrollado una disposición novedosa de patrones de estrés para controlar con precisión el estrés general. Los sustratos para las superficies ópticas primero se recubren en la parte posterior con capas delgadas de película de alta tensión, hechas de materiales como el dióxido de silicio. Los nuevos patrones de estrés se imprimen litográficamente en la película para que los investigadores puedan cambiar las propiedades del material en áreas específicas. El tratamiento selectivo del revestimiento de la película en diferentes áreas controla dónde se aplica el estrés y la tensión en la superficie. Y debido a que la superficie óptica y el recubrimiento están adheridos, la manipulación del material de recubrimiento también remodela la superficie óptica en consecuencia.

"No está agregando estrés para hacer una forma, está eliminando el estrés de forma selectiva en direcciones específicas con estructuras geométricas cuidadosamente diseñadas, como puntos o líneas", dice Schattenburg, científico investigador principal y director del Laboratorio de Nanotecnología Espacial. "Esa es solo una cierta forma de proporcionar un alivio de tensión objetivo en un solo lugar en el espejo que luego puede doblar el material".

Una idea de corregir espejos espaciales

Desde 2017, el equipo de SNL ha trabajado con el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA (GSFC) para desarrollar un proceso para corregir la distorsión de la forma de los espejos de los telescopios de rayos X causada por la tensión del recubrimiento. La investigación se originó a partir de un proyecto de construcción de espejos de rayos X para el concepto de misión del telescopio de rayos X de próxima generación Lynx de la NASA, que requiere decenas de miles de espejos de alta precisión. Debido a la tarea de enfocar los rayos X, los espejos deben ser muy delgados para captar los rayos X de manera eficiente. Sin embargo, los espejos pierden rigidez rápidamente a medida que se adelgazan, y se distorsionan fácilmente por la tensión de sus revestimientos reflectantes:una capa de iridio de nanómetros de espesor recubierta en la parte frontal con el fin de reflejar los rayos X.

"Mi equipo en GSFC ha estado fabricando y recubriendo espejos de rayos X delgados desde 2001", dice William Zhang, líder del grupo de óptica de rayos X en GSFC. "Como la calidad de los espejos de rayos X ha mejorado continuamente en las últimas décadas gracias a los avances tecnológicos, la distorsión causada por los recubrimientos se ha convertido en un problema cada vez más grave". Yao y su equipo desarrollaron un método de patrón de estrés litográfico, combinando con éxito varias técnicas diferentes, para lograr una excelente eliminación de la distorsión cuando se aplica a los espejos de rayos X fabricados por el grupo.

Después de este éxito inicial, el equipo decidió extender el proceso a aplicaciones más generales, como la conformación de forma libre de espejos y sustratos delgados, pero se encontraron con un gran obstáculo. "Desafortunadamente, el proceso desarrollado para GSFC solo puede controlar con precisión un solo tipo de tensión superficial, la llamada tensión 'equibiaxial" o rotación uniforme", dice Chalifoux. "Los estados de tensión equibiaxiales solo pueden lograr una flexión local similar a un cuenco de la superficie, que no puede corregir las distorsiones de forma de patata frita o silla de montar. Para lograr un control arbitrario de la flexión de la superficie se requiere el control de los tres términos en el llamado 'tensor de tensión superficial'".

Para lograr un control total del tensor de tensión, Yao y su equipo desarrollaron aún más la tecnología, y eventualmente inventaron lo que ellos llaman mesoestructuras de tensor de tensión (STM), que son células cuasi periódicas dispuestas en la superficie posterior de sustratos delgados, compuestas de rejillas superpuestas en recubrimientos estresados. "Al rotar la orientación de la rejilla en cada celda unitaria y cambiar la fracción del área de las áreas seleccionadas, los tres componentes del campo del tensor de tensión se pueden controlar simultáneamente con un proceso de creación de patrones simple", explica Yao.

El equipo pasó más de dos años desarrollando este concepto. "Encontramos una serie de dificultades en el proceso", dice Schattenburg. "La forma libre de obleas de silicio con precisión nanométrica requiere una sinergia de metrología, mecánica y fabricación. Al combinar las décadas de experiencia del laboratorio en metrología de superficies y microfabricación con herramientas de optimización y modelado de placas delgadas desarrolladas por estudiantes de posgrado, pudimos para demostrar un método general de control de la forma del sustrato que no se limita solo a la flexión de la superficie en forma de cuenco".

Una técnica prometedora para muchas aplicaciones

Este enfoque permitió al equipo imaginar nuevas aplicaciones más allá de la tarea inicial de corregir espejos de rayos X distorsionados en el revestimiento. "Cuando se forman placas delgadas con métodos tradicionales, es difícil ser preciso porque la mayoría de los métodos generan tensiones residuales o parásitas que provocan una distorsión secundaria y una recuperación elástica después del procesamiento", dice Jian Cao, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Northwestern. , que no participó en la obra. "Pero el método de flexión por tensión STM es bastante estable, lo que es especialmente útil para aplicaciones relacionadas con la óptica".

Yao y sus colegas también esperan controlar dinámicamente los tensores de tensión en el futuro. "La actuación piezoeléctrica de espejos delgados, que se utiliza en la tecnología de óptica adaptativa, ha estado en desarrollo durante muchos años, pero la mayoría de los métodos solo pueden controlar un componente de la tensión", explica Yao. "Si podemos modelar STM en placas delgadas accionadas por piezoeléctricos, podríamos extender estas técnicas más allá de la óptica a aplicaciones interesantes como la actuación en microelectrónica y robótica suave". + Explora más

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Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.