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Pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de usar pulsos de laser de femtossegundos para fabricar os espelhos ultrafinos de alta precisão necessários para telescópios de raios-x de alto desempenho. A técnica pode ajudar a melhorar os telescópios de raios X baseados no espaço usados para capturar eventos cósmicos de alta energia envolvidos na formação de novas estrelas e buracos negros supermassivos.
“Detectar raios-x cósmicos é uma parte crucial da nossa exploração do universo que revela os eventos de alta energia que permeiam nosso universo, mas não são observáveis em outras bandas de ondas”, disse o líder da equipe de pesquisa Heng Zuo, que realizou a pesquisa no MIT Kavli. Instituto de Astrofísica e Pesquisa Espacial e agora está na Universidade do Novo México. “As tecnologias que nosso grupo desenvolveu ajudarão os telescópios a obter imagens nítidas de raios-x astronômicos que podem responder a muitas perguntas científicas intrigantes”.
Os telescópios de raios X orbitam acima da atmosfera da Terra e contêm milhares de espelhos finos, cada um com uma forma precisamente curva e cuidadosamente alinhados em relação a todos os outros espelhos. Dentro Ópticajornal do Optica Publishing Group para pesquisa de alto impacto, os pesquisadores descrevem como usaram a microusinagem a laser de femtosegundo para dobrar esses espelhos ultrafinos em uma forma precisa e 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 Zuo. “Além disso, os espelhos do telescópio geralmente são revestidos para aumentar a refletividade, e esses revestimentos normalmente deformam ainda mais os espelhos. Nossas técnicas podem enfrentar ambos os desafios.”
Dobragem de precisão
Novas maneiras de fabricar espelhos de raios X ultraprecisos e de alto desempenho para telescópios são necessárias, pois novos conceitos de missão continuam a aumentar os limites da imagem de raios X. Por exemplo, o conceito Lynx X-ray Surveyor da NASA terá a óptica de raios X mais poderosa já concebida e exigirá a fabricação de um grande número de espelhos de resolução ultra-alta.
Para atender a essa necessidade, o grupo de pesquisa de Zuo combinou a microusinagem a laser de femtosegundo com uma técnica desenvolvida anteriormente chamada correção de figura baseada em estresse. A correção de figura baseada em tensão explora a flexibilidade de espelhos finos aplicando um filme deformável ao substrato do espelho para ajustar seus estados de tensão e induzir flexão controlada.
A técnica envolve a remoção seletiva de regiões de um filme estressado crescido na superfície traseira de um espelho plano. Os pesquisadores selecionaram lasers de femtossegundos para conseguir isso porque os pulsos produzidos por esses lasers podem criar furos, canais e marcas extremamente precisos com poucos danos colaterais. Além disso, as altas taxas de repetição desses lasers permitem velocidades de usinagem e rendimento mais rápidos em comparação com os métodos tradicionais. Isso pode ajudar a acelerar a fabricação do grande número de espelhos ultrafinos necessários para os telescópios de raios-x da próxima geração.
Mapeamento de estresse
Para realizar a nova abordagem, os pesquisadores primeiro tiveram que determinar exatamente como a microusinagem a laser altera a curvatura da superfície do espelho e os estados de tensão. Em seguida, eles mediram a forma inicial do espelho e criaram um mapa da correção de tensão necessária para criar a forma desejada. Eles também desenvolveram um esquema de correção de múltiplas passagens que usa um loop de feedback para reduzir 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 tigela), 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”.
Neste trabalho, os pesquisadores demonstraram a nova técnica em pastilhas planas de silício usando padrões regulares. Para corrigir espelhos de telescópios de astronomia de raios-x reais, que são curvados em duas direções, os pesquisadores estão desenvolvendo uma configuração óptica mais complexa para o movimento 3D dos substratos.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Óptica. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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