Technologieën die afhankelijk zijn van lichtgewicht, uiterst nauwkeurige optische systemen, zoals ruimtetelescopen, röntgenspiegels en beeldschermen, hebben zich de afgelopen decennia aanzienlijk ontwikkeld, maar meer geavanceerde vooruitgang werd beperkt door schijnbaar eenvoudige uitdagingen. De oppervlakken van spiegels en platen met microstructuren die nodig zijn in deze optische systemen kunnen bijvoorbeeld worden vervormd door gespannen oppervlaktecoatingmaterialen, waardoor de optische kwaliteit achteruitgaat. Dit geldt met name voor ultralichte optische systemen, zoals ruimteoptica, waar traditionele optische fabricagemethoden moeite hebben om aan de veeleisende vormvereisten te voldoen.

Nu hebben MIT-onderzoekers Youwei Yao, Ralf Heilmann en Mark Schattenburg van het Space Nanotechnology Laboratory (SNL) binnen het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT, evenals recent afgestudeerde Brandon Chalifoux Ph.D., nieuwe methoden bedacht om voorbij deze barrière.

In een artikel dat op 20 april verschijnt in Optica , Yao, een onderzoekswetenschapper en hoofdauteur van het artikel, legt hun nieuwe benadering uit om dunne plaatmaterialen opnieuw vorm te geven op een manier die vervorming elimineert en onderzoekers in staat stelt om oppervlakken willekeuriger te buigen in de precieze en complexe vormen die ze nodig hebben. Het vormen van dunne platen wordt meestal gebruikt voor complexe systemen op hoog niveau, zoals vervormbare spiegels of processen voor het afvlakken van wafels tijdens de productie van halfgeleiders, maar deze innovatie betekent dat toekomstige productie nauwkeuriger, schaalbaarder en goedkoper zal zijn. Yao en de rest van het team denken dat deze dunnere en gemakkelijker vervormbare oppervlakken nuttig kunnen zijn in bredere toepassingen, zoals augmented reality-headsets en grotere telescopen die tegen lagere kosten de ruimte in kunnen worden gestuurd. "Het gebruik van spanning om optische of halfgeleideroppervlakken te vervormen is niet nieuw, maar door moderne lithografische technologie toe te passen, kunnen we veel van de uitdagingen van bestaande methoden overwinnen", zegt Yao.

Het werk van het team bouwt voort op het onderzoek van Brandon Chalifoux, die nu assistent-professor is aan de Universiteit van Arizona. Chalifoux werkte met het team aan eerdere papers om een ​​wiskundig formalisme te ontwikkelen om oppervlaktespanningstoestanden te verbinden met vervormingen van dunne platen, als onderdeel van zijn doctoraat in werktuigbouwkunde.

In deze nieuwe benadering heeft Yao een nieuwe rangschikking van stresspatronen ontwikkeld voor het nauwkeurig beheersen van algemene stress. Substraten voor optische oppervlakken worden eerst aan de achterkant gecoat met dunne lagen hoogspanningsfilm, gemaakt van materialen zoals siliciumdioxide. Nieuwe spanningspatronen worden lithografisch in de film gedrukt, zodat onderzoekers de eigenschappen van het materiaal in specifieke gebieden kunnen veranderen. Het selectief behandelen van de filmcoating in verschillende gebieden regelt waar spanning en spanning over het oppervlak wordt uitgeoefend. En omdat het optische oppervlak en de coating aan elkaar zijn gehecht, verandert het manipuleren van het coatingmateriaal ook het optische oppervlak dienovereenkomstig.

"Je voegt geen stress toe om een ​​vorm te maken, je verwijdert selectief stress in specifieke richtingen met zorgvuldig ontworpen geometrische structuren, zoals stippen of lijnen", zegt Schattenburg, senior onderzoeker en directeur van het Space Nanotechnology Laboratory. "Dat is gewoon een bepaalde manier om een ​​doel spanningsverlichting te geven op een enkele plaats in de spiegel, die vervolgens het materiaal kan buigen."

Een idee van het corrigeren van ruimtespiegels

Sinds 2017 werkt het SNL-team samen met NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) om een ​​proces te ontwikkelen om de vormvervorming van röntgentelescoopspiegels veroorzaakt door coatingspanning te corrigeren. Het onderzoek kwam voort uit een project om röntgenspiegels te bouwen voor het Lynx-missieconcept van de volgende generatie röntgentelescoop, waarvoor tienduizenden uiterst nauwkeurige spiegels nodig zijn. Vanwege de taak om röntgenstralen te focussen, moeten de spiegels erg dun zijn om röntgenstralen efficiënt te verzamelen. Spiegels verliezen echter snel stijfheid naarmate ze dunner worden en worden gemakkelijk vervormd door de spanning van hun reflecterende coatings - een nanometer dikke iridiumlaag die aan de voorkant is gecoat om röntgenstralen te reflecteren.

"Mijn team bij GSFC maakt en bekleedt sinds 2001 dunne röntgenspiegels", zegt William Zhang, groepsleider röntgenoptica bij GSFC. "Omdat de kwaliteit van röntgenspiegels de afgelopen decennia voortdurend is verbeterd als gevolg van technologische vooruitgang, is vervorming veroorzaakt door coatings een steeds groter probleem geworden." Yao en zijn team ontwikkelden een lithografische methode voor het vormen van spanningspatronen, waarbij met succes verschillende technieken werden gecombineerd, om een ​​uitstekende verwijdering van vervorming te bereiken bij toepassing op röntgenspiegels die door de groep zijn gemaakt.

Na dit aanvankelijke succes besloot het team het proces uit te breiden naar meer algemene toepassingen, zoals het in vrije vorm vormen van spiegels en dunne substraten, maar ze stuitten op een groot obstakel. "Helaas kan het voor GSFC ontwikkelde proces slechts een enkel type oppervlaktespanning nauwkeurig regelen, de zogenaamde 'equibiaxiale' of rotatie-uniforme spanning", zegt Chalifoux. "Equibiaxiale spanningstoestanden kunnen alleen komachtige lokale buiging van het oppervlak, dat geen vervormingen in de vorm van chips of zadels kan corrigeren. Om willekeurige controle van oppervlaktebuiging te bereiken, is controle van alle drie de termen in de zogenaamde 'oppervlaktespanningstensor' vereist.'

Om volledige controle over de spanningstensor te krijgen, hebben Yao en zijn team de technologie verder ontwikkeld en hebben ze uiteindelijk de zogenaamde spanningstensor mesostructuren (STM's) uitgevonden. belaste coatings. "Door de oriëntatie van het rooster in elke eenheidscel te roteren en de oppervlaktefractie van geselecteerde gebieden te veranderen, kunnen alle drie componenten van het spanningstensorveld gelijktijdig worden gecontroleerd met een eenvoudig patroonproces", legt Yao uit.

Het team heeft meer dan twee jaar aan dit concept gewerkt. "We kwamen een aantal moeilijkheden tegen in het proces", zegt Schattenburg. "Het in vrije vorm vormgeven van siliciumwafels met nanometerprecisie vereist een synergie van metrologie, mechanica en fabricage. Door de decennialange ervaring van het laboratorium op het gebied van oppervlaktemetrologie en microfabricage te combineren met door afgestudeerden ontwikkelde dunne plaatmodellerings- en optimalisatietools, waren we in staat om een ​​algemene methode voor het regelen van de substraatvorm te demonstreren die niet beperkt is tot alleen komvormige oppervlaktebuiging."

Een veelbelovende techniek voor veel toepassingen

This approach enabled the team to imagine new applications beyond the initial task of correcting coating-distorted X-ray mirrors. "When forming thin plates using traditional methods, it is difficult to be precise because most of the methods generate parasitic or residual stresses which lead to secondary distortion and spring-back after processing," says Jian Cao, a professor of mechanical engineering at Northwestern University, who was not involved with the work. "But the STM stress-bending method is quite stable, which is especially useful for optics-related applications."

Yao and his colleagues are also expecting to control stress tensors dynamically in the future. "Piezoelectric actuation of thin mirrors, which is used in adaptive optics technology, has been under development for many years, but most methods can only control one component of the stress," Yao explains. "If we can pattern STMs on thin, piezo-actuated plates, we would be able to extend these techniques beyond optics to interesting applications such as actuation on microelectronics and soft robotics." + Verder verkennen

Precision mirrors poised to improve sensitivity of gravitational wave detectors

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.