Nueva técnica para los espejos ultrafinos de telescopios de rayos X
Una nueva técnica permite utilizar pulsos de láser de femtosegundo para fabricar los espejos ultrafinos de alta precisión necesarios para los telescopios de rayos X de alto rendimiento.
Esta técnica podría ayudar a mejorar los telescopios de rayos X basados en el espacio que se utilizan para captar los eventos cósmicos de alta energía que intervienen en la formación de nuevas estrellas y agujeros negros supermasivos, según publican en la revista 'Optica'.
"La detección de los rayos X cósmicos es una pieza crucial de nuestra exploración del universo que desvela los eventos de alta energía que impregnan nuestro universo pero que no son observables en otras bandas de ondas --explica el líder del equipo de investigación Heng Zuo, que realizó la investigación en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y que ahora está en la Universidad de Nuevo México--. Las tecnologías que nuestro grupo ha desarrollado ayudarán a los telescopios a obtener imágenes nítidas de los rayos X astronómicos que pueden responder a muchas preguntas científicas intrigantes".
Los telescopios de rayos X orbitan por encima de la atmósfera terrestre y contienen miles de espejos delgados que deben tener cada uno una forma curvada precisa y estar cuidadosamente alineados con respecto a todos los demás espejos. Los investigadores utilizaron el micromecanizado por láser de femtosegundo para curvar estos espejos ultrafinos con una forma precisa y corregir los errores que pueden surgir en el proceso de fabricación.
"Es difícil fabricar espejos ultrafinos con una forma exacta porque el proceso de fabricación tiende a doblar mucho el material fino -explica Zuo--. Además, los espejos de los telescopios suelen estar recubiertos para aumentar la reflectividad, y estos recubrimientos suelen deformar aún más los espejos. Nuestras técnicas pueden resolver ambos problemas", asegura.
Se necesitan nuevas formas de fabricar espejos de rayos X ultraprecisos y de alto rendimiento para los telescopios, ya que los nuevos conceptos de misión siguen ampliando los límites de las imágenes de rayos X. Por ejemplo, el concepto Lynx X-ray Surveyor de la NASA tendrá la óptica de rayos X más potente jamás concebida y requerirá la fabricación de un gran número de espejos de ultra alta resolución.
Para satisfacer esta necesidad, el grupo de investigación de Zuo combinó el micromecanizado por láser de femtosegundo con una técnica previamente desarrollada denominada corrección de la figura basada en la tensión. La corrección de la figura basada en la tensión aprovecha la capacidad de flexión de los espejos finos aplicando una película deformable al sustrato del espejo para ajustar sus estados de tensión e inducir una flexión controlada.
La técnica consiste en eliminar de forma selectiva regiones de una película sometida a tensión que ha crecido en la superficie posterior de un espejo plano. Los investigadores seleccionaron los láseres de femtosegundo para conseguirlo porque los pulsos producidos por estos láseres pueden crear agujeros, canales y marcas extremadamente precisos con pocos daños colaterales. Además, las altas tasas de repetición de estos láseres permiten una mayor velocidad de mecanizado y rendimiento en comparación con los métodos tradicionales. Esto podría ayudar a acelerar la fabricación de la gran cantidad de espejos ultrafinos necesarios para los telescopios de rayos X de próxima generación.
Para llevar a cabo este nuevo enfoque, los investigadores tuvieron que determinar exactamente cómo el micromecanizado por láser cambia la curvatura de la superficie del espejo y los estados de tensión. A continuación, midieron la forma inicial del espejo y crearon un mapa de la corrección de tensiones necesaria para crear la forma deseada. También desarrollaron un esquema de corrección de varias pasadas que utiliza un bucle de retroalimentación para reducir repetidamente los errores hasta conseguir un perfil de espejo aceptable.
"Nuestros resultados experimentales demostraron que la eliminación de agujeros periódicos en forma de patrón da lugar a estados de tensión equibiaxiales (con forma de cuenco), mientras que la eliminación orientada de canales periódicos con un tono fino genera componentes de tensión no equibiaxiales (con forma de chip de patata) --explica Zuo--. Combinando estas dos características con una rotación adecuada de la orientación de las artesas podemos crear una variedad de estados de tensión que, en principio, pueden utilizarse para corregir cualquier tipo de error en los espejos".
En este trabajo, los investigadores han demostrado la nueva técnica en obleas de silicio planas utilizando patrones regulares. Para corregir los espejos reales de los telescopios de rayos X, que están curvados en dos direcciones, los investigadores están desarrollando una configuración óptica más compleja para el movimiento 3D de los sustratos.
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