As tecnologias que dependem de sistemas ópticos leves e de alta precisão, como telescópios espaciais, espelhos de raios X e painéis de exibição, desenvolveram-se significativamente nas últimas décadas, mas o progresso mais avançado foi limitado por desafios aparentemente simples. Por exemplo, as superfícies de espelhos e placas com microestruturas que são necessárias nesses sistemas ópticos podem ser distorcidas por materiais de revestimento de superfície estressados, degradando a qualidade óptica. Isso é especialmente verdadeiro para sistemas ópticos ultraleves, como óptica espacial, onde os métodos tradicionais de fabricação óptica lutam para atender aos requisitos de forma exata.
Agora, os pesquisadores do MIT Youwei Yao, Ralf Heilmann e Mark Schattenburg do Laboratório de Nanotecnologia Espacial (SNL) do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, bem como o recém-formado Brandon Chalifoux Ph.D., criaram novos métodos para trabalhar no passado. esta barreira.

Em um artigo publicado na edição de 20 de abril da Optica , Yao, cientista pesquisador e principal autor do artigo, explica sua nova abordagem para remodelar materiais de placas finas de uma maneira que elimina a distorção e permite que os pesquisadores dobrem superfícies de forma mais arbitrária nas formas precisas e complexas de que podem precisar. A modelagem de placas finas é normalmente usada para sistemas complexos de alto nível, como espelhos deformáveis ​​ou processos de achatamento de wafer durante a fabricação de semicondutores, mas essa inovação significa que a produção futura será mais precisa, escalável e barata. Yao e o resto da equipe imaginam que essas superfícies mais finas e facilmente deformáveis ​​podem ser úteis em aplicações mais amplas, como fones de ouvido de realidade aumentada e telescópios maiores que podem ser enviados ao espaço a um custo menor. "O uso de tensão para deformar superfícies ópticas ou semicondutoras não é novo, mas aplicando tecnologia litográfica moderna, podemos superar muitos dos desafios dos métodos existentes", diz Yao.

O trabalho da equipe se baseia na pesquisa de Brandon Chalifoux, que agora é professor assistente da Universidade do Arizona. Chalifoux trabalhou com a equipe em artigos anteriores para desenvolver um formalismo matemático para conectar estados de tensão de superfície com deformações de placas finas, como parte de seu doutorado em engenharia mecânica.

Nesta nova abordagem, Yao desenvolveu um novo arranjo de padrões de estresse para controlar com precisão o estresse geral. Substratos para superfícies ópticas são primeiro revestidos na parte traseira com finas camadas de filme de alta tensão, feito de materiais como dióxido de silício. Novos padrões de tensão são impressos litograficamente no filme para que os pesquisadores possam alterar as propriedades do material em áreas específicas. O tratamento seletivo do revestimento de filme em diferentes áreas controla onde o estresse e a tensão são aplicados na superfície. E porque a superfície óptica e o revestimento são aderidos juntos, a manipulação do material de revestimento também remodela a superfície óptica de acordo.

“Você não está adicionando estresse para criar uma forma, você está removendo seletivamente o estresse em direções específicas com estruturas geométricas cuidadosamente projetadas, como pontos ou linhas”, diz Schattenburg, cientista de pesquisa sênior e diretor do Laboratório de Nanotecnologia Espacial. "Essa é apenas uma certa maneira de dar um alívio de tensão alvo em um único lugar no espelho que pode então dobrar o material."

Uma ideia de corrigir espelhos espaciais

Desde 2017, a equipe do SNL trabalhou com o Goddard Space Flight Center da NASA (GSFC) para desenvolver um processo para corrigir a distorção da forma dos espelhos do telescópio de raios-X causada pelo estresse do revestimento. A pesquisa se originou de um projeto de construção de espelhos de raios-X para o conceito de missão do telescópio de raios-X de próxima geração Lynx da NASA, que requer dezenas de milhares de espelhos de alta precisão. Devido à tarefa de focalizar os raios X, os espelhos devem ser muito finos para coletar os raios X com eficiência. No entanto, os espelhos perdem a rigidez rapidamente à medida que são afinados, tornando-se facilmente distorcidos pelo estresse de seus revestimentos refletivos - uma camada de irídio de nanômetros de espessura revestida na parte frontal com a finalidade de refletir os raios X.

"Minha equipe na GSFC fabrica e reveste espelhos finos de raios-X desde 2001", diz William Zhang, líder do grupo de óptica de raios-X da GSFC. "Como a qualidade dos espelhos de raios-X melhorou continuamente nas últimas décadas após os avanços tecnológicos, a distorção causada pelos revestimentos tornou-se um problema cada vez mais sério." Yao e sua equipe desenvolveram um método de padronização de tensão litográfica, combinando com sucesso várias técnicas diferentes, para obter uma excelente remoção de distorção quando aplicado a espelhos de raios-X feitos pelo grupo.

Após esse sucesso inicial, a equipe decidiu estender o processo para aplicações mais gerais, como modelagem livre de espelhos e substratos finos, mas encontraram um grande obstáculo. "Infelizmente, o processo desenvolvido para GSFC só pode controlar com precisão um único tipo de tensão superficial, o chamado 'equibiaxial', ou tensão rotacionalmente uniforme", diz Chalifoux. a superfície, que não pode corrigir distorções de formato de batata frita ou sela. Alcançar o controle arbitrário da flexão da superfície requer o controle de todos os três termos no chamado 'tensor de tensão da superfície'."

Para obter o controle total do tensor de tensão, Yao e sua equipe desenvolveram ainda mais a tecnologia, eventualmente inventando o que eles chamam de mesoestruturas de tensor de tensão (STMs), que são células quase periódicas dispostas na superfície traseira de substratos finos, compostas de grades sobrepostas em revestimentos estressados. "Ao girar a orientação da grade em cada célula unitária e alterar a fração de área das áreas selecionadas, todos os três componentes do campo tensor de tensão podem ser controlados simultaneamente com um processo de padronização simples", explica Yao.

A equipe passou mais de dois anos desenvolvendo esse conceito. "Encontramos uma série de dificuldades no processo", diz Schattenburg. "A modelagem livre de wafers de silício com precisão nanométrica requer uma sinergia de metrologia, mecânica e fabricação. para demonstrar um método geral de controle da forma do substrato que não se limita apenas à flexão de superfície tipo tigela."

Uma técnica promissora para muitas aplicações

Essa abordagem permitiu que a equipe imaginasse novas aplicações além da tarefa inicial de corrigir espelhos de raios-X distorcidos no revestimento. "Ao formar placas finas usando métodos tradicionais, é difícil ser preciso porque a maioria dos métodos gera tensões parasitas ou residuais que levam a distorção secundária e retorno elástico após o processamento", diz Jian Cao, professor de engenharia mecânica da Northwestern University , que não estava envolvido com o trabalho. "Mas o método de flexão de tensão STM é bastante estável, o que é especialmente útil para aplicações relacionadas à óptica".

Yao e seus colegas também esperam controlar os tensores de tensão dinamicamente no futuro. "A atuação piezoelétrica de espelhos finos, que é usada na tecnologia de óptica adaptativa, está em desenvolvimento há muitos anos, mas a maioria dos métodos pode controlar apenas um componente do estresse", explica Yao. "Se pudermos padronizar STMs em placas finas e acionadas por piezo, seremos capazes de estender essas técnicas além da óptica para aplicações interessantes, como atuação em microeletrônica e robótica suave". + Explorar mais

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Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.