Gli scienziati del MIT si sviluppano in basso

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Le tecnologie che dipendono da sistemi ottici leggeri e ad alta precisione, come telescopi spaziali, specchi a raggi X e pannelli di visualizzazione, si sono sviluppate in modo significativo negli ultimi decenni, ma i progressi più avanzati sono stati limitati da sfide apparentemente semplici. Ad esempio, le superfici degli specchi e delle lastre con microstrutture necessarie in questi sistemi ottici possono essere deformate da materiali di rivestimento superficiali sollecitati, degradando la qualità dell'ottica. Ciò è particolarmente vero per i sistemi ottici ultraleggeri, come l’ottica spaziale, dove i tradizionali metodi di fabbricazione ottica faticano a soddisfare i rigorosi requisiti di forma.

Ora, i ricercatori del MIT Youwei Yao, Ralf Heilmann e Mark Schattenburg dello Space Nanotechnology Laboratory (SNL) presso il Kavli Institute for Astrofisica e la ricerca spaziale del MIT, nonché il neolaureato Brandon Chalifoux PhD '19, hanno ideato nuovi metodi per superare questo problema. barriera.

In un articolo apparso nel numero del 20 aprile di Optica, Yao, ricercatore e autore principale dell'articolo, spiega il loro nuovo approccio per rimodellare i materiali a lastre sottili in un modo che elimina la distorsione e consente ai ricercatori di piegare le superfici in modo più arbitrario nella precisione e nella precisione. forme complesse di cui potrebbero aver bisogno. La modellatura di lastre sottili viene generalmente utilizzata per sistemi complessi di alto livello, come specchi deformabili o processi di appiattimento dei wafer durante la produzione di semiconduttori, ma questa innovazione significa che la produzione futura sarà più precisa, scalabile ed economica. Yao e il resto del team immaginano che queste superfici più sottili e più facilmente deformabili possano essere utili in applicazioni più ampie, come visori per la realtà aumentata e telescopi più grandi che possono essere inviati nello spazio a costi inferiori. "L'utilizzo dello stress per deformare le superfici ottiche o dei semiconduttori non è una novità, ma applicando la moderna tecnologia litografica possiamo superare molte delle sfide dei metodi esistenti", afferma Yao.

Il lavoro del team si basa sulla ricerca di Brandon Chalifoux, che ora è assistente professore presso l'Università dell'Arizona. Chalifoux ha lavorato con il team su articoli precedenti per sviluppare un formalismo matematico per collegare gli stati di stress superficiale con le deformazioni delle piastre sottili, come parte del suo dottorato in ingegneria meccanica.

In questo nuovo approccio, Yao ha sviluppato una nuova disposizione dei modelli di stress per controllare con precisione lo stress generale. I substrati per le superfici ottiche vengono prima rivestiti sul retro con sottili strati di pellicola ad alta resistenza, costituiti da materiali come il biossido di silicio. Nuovi modelli di sollecitazione sono stampati litograficamente sulla pellicola in modo che i ricercatori possano modificare le proprietà del materiale in aree specifiche. Il trattamento selettivo del rivestimento della pellicola in diverse aree controlla dove lo stress e la tensione vengono applicati sulla superficie. E poiché la superficie ottica e il rivestimento aderiscono insieme, anche la manipolazione del materiale di rivestimento rimodella di conseguenza la superficie ottica.

"Non stai aggiungendo stress per creare una forma, stai rimuovendo selettivamente lo stress in direzioni specifiche con strutture geometriche attentamente progettate, come punti o linee", afferma Schattenburg, ricercatore senior e direttore dello Space Nanotechnology Laboratory. "Questo è solo un certo modo per alleviare lo stress di un bersaglio in un unico punto dello specchio che può quindi piegare il materiale."

Un'idea dalla correzione degli specchi spaziali

Dal 2017, il team SNL ha collaborato con il Goddard Space Flight Center (GSFC) della NASA per sviluppare un processo per correggere la distorsione della forma degli specchi dei telescopi a raggi X causata dallo stress del rivestimento. La ricerca ha avuto origine da un progetto di costruzione di specchi a raggi X per il concetto di missione del telescopio a raggi X di prossima generazione Lynx della NASA, che richiede decine di migliaia di specchi ad alta precisione. A causa del compito di focalizzare i raggi X, gli specchi devono essere molto sottili per raccogliere i raggi X in modo efficiente. Tuttavia, gli specchi perdono rapidamente rigidità man mano che vengono assottigliati, deformandosi facilmente a causa dello stress derivante dai loro rivestimenti riflettenti: uno strato di iridio spesso nanometri rivestito sul lato anteriore allo scopo di riflettere i raggi X.