Nova técnica de fazer espelhos vai melhorar nossa visão do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/11/2022

A técnica parece simples, mas as dimensões e a precisão envolvidas requerem equipamentos não disponíveis hoje.
[Imagem: Heng Zuo et al. - 10.1364/OPTICA.461870]

Como fabricar espelhos

Uma nova técnica para fabricar espelhos usando raios laser poderá viabilizar a construção de telescópios com uma capacidade de detecção de luz que não é possível mesmo com as técnicas mais avançadas - e demoradas - disponíveis hoje.

Os telescópios espaciais de raios X, por exemplo, podem contar com milhares de finos espelhos que devem ter uma forma precisamente curva e serem cuidadosamente alinhados uns em relação a todos os outros.

Heng Zuo e seus colegas da Universidade do Novo México e do MIT desenvolveram uma técnica de microusinagem a laser para curvar esses espelhos ultrafinos em uma forma precisa, além de corrigir erros que podem surgir no processo de fabricação.

"É difícil fazer espelhos ultrafinos com uma forma exata porque o processo de fabricação tende a dobrar severamente o material fino," disse o pesquisador. "Além disso, os espelhos de telescópios geralmente são revestidos para aumentar a refletividade, e esses revestimentos normalmente deformam ainda mais os espelhos. Nossas técnicas podem enfrentar ambos os desafios."

Protótipo do equipamento de usinagem a laser construído pela equipe.
[Imagem: Heng Zuo/MIT Kavli Institute]

Remoção seletiva a laser

A equipe combinou lasers pulsados de femtossegundos (10^-15 segundo por pulso) com uma técnica também recente, chamada correção de figura baseada em estresse, que consiste em aplicar um filme deformável ao substrato do espelho para ajustar seus estados de tensão, e assim induzir uma flexão controlada.

A técnica combinada envolve a remoção seletiva, feita pelo laser, de regiões do filme tensionado, depois de ele ter sido implantado na superfície traseira de um espelho plano. Os pesquisadores selecionaram lasers de femtossegundos porque os pulsos produzidos por esses lasers podem criar furos, canais e marcas extremamente precisos com poucos danos colaterais para o entorno do material. Além disso, as altas taxas de repetição desses lasers permitem velocidades de usinagem mais rápidas em comparação com os métodos tradicionais.

Primeiro foi necessário determinar exatamente como a microusinagem a laser altera a curvatura da superfície do espelho e os estados de tensão. Em seguida, os pesquisadores mediram a forma inicial do espelho e criaram um mapa da correção de tensão necessária para criar a forma desejada.

A melhor abordagem consistiu em um esquema de correção de múltiplas passagens, que usa um ciclo de realimentação para ir reduzindo repetidamente os erros, até que um perfil de espelho aceitável seja alcançado.

"Nossos resultados experimentais mostraram que a remoção padronizada de buracos periódicos leva a estados de tensão equibiaxiais (em forma de bacia), enquanto a remoção orientada de calhas periódicas gera componentes de tensão não equibiaxiais (em forma de batata frita)," disse Zuo. "Combinando esses dois recursos com a rotação adequada da orientação da calha, podemos criar uma variedade de estados de estresse que podem, em princípio, ser usados para corrigir qualquer tipo de erro nos espelhos."

Com um custo estimado em US$6 bilhões, o observatório de raios X Lynx ainda não tem cronograma de construção.
[Imagem: Granttremblay/Wikimedia]

Observatório de raios X

A nova técnica funcionou bem em pastilhas de silício planas usando padrões regulares. Mas, para corrigir espelhos reais de telescópios de astronomia de raios X, que são curvados em duas direções, os pesquisadores estão desenvolvendo uma configuração óptica mais complexa para o movimento 3D dos substratos dos espelhos.

Eles estão de olho no projeto do telescópio de raios X Lynx, da NASA, que terá a óptica de raios X mais poderosa já concebida e que exigirá a fabricação de um grande número de espelhos de resolução ultra-alta.

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