Teknik som är beroende av lätta optiska system med hög precision, som rymdteleskop, röntgenspeglar och displaypaneler, har utvecklats avsevärt under de senaste decennierna, men mer avancerade framsteg har begränsats av till synes enkla utmaningar. Till exempel kan ytorna på speglar och plattor med mikrostrukturer som är nödvändiga i dessa optiska system förvrängas av stressade ytbeläggningsmaterial, vilket försämrar optikens kvalitet. Detta gäller särskilt för ultralätta optiska system, såsom rymdoptik, där traditionella optiska tillverkningsmetoder kämpar för att möta höga formkrav.

Nu har MIT-forskarna Youwei Yao, Ralf Heilmann och Mark Schattenburg från Space Nanotechnology Laboratory (SNL) inom MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, samt nyutexaminerade Brandon Chalifoux Ph.D., tagit fram nya metoder för att arbeta förbi. denna barriär.

I en tidning som visas i numret av Optica den 20 april , Yao, en forskare och uppsatsens huvudförfattare, förklarar deras nya tillvägagångssätt för att omforma tunna plåtmaterial på ett sätt som eliminerar distorsion och gör det möjligt för forskare att böja ytor mer godtyckligt till de exakta och komplexa former de kan behöva. Tunn plåtformning används vanligtvis för komplexa system på hög nivå, som deformerbara speglar eller plattningsprocesser under halvledartillverkning, men denna innovation innebär att framtida produktion blir mer exakt, skalbar och billig. Yao och resten av teamet föreställer sig att dessa tunnare och lättare deformerbara ytor kan vara användbara i bredare applikationer, som augmented reality-headset och större teleskop som kan skickas ut i rymden till lägre kostnad. "Att använda stress för att deformera optiska eller halvledarytor är inte nytt, men genom att tillämpa modern litografisk teknik kan vi övervinna många av utmaningarna med befintliga metoder", säger Yao.

Teamets arbete bygger på forskningen av Brandon Chalifoux, som nu är biträdande professor vid University of Arizona. Chalifoux arbetade med teamet på tidigare uppsatser för att utveckla en matematisk formalism för att koppla samman ytspänningstillstånd med deformationer av tunna plattor, som en del av sin doktorsexamen i maskinteknik.

I detta nya tillvägagångssätt har Yao utvecklat ett nytt arrangemang av stressmönster för att exakt kontrollera allmän stress. Underlag för optiska ytor beläggs först på baksidan med tunna lager av högspänningsfilm, gjord av material som kiseldioxid. Nya spänningsmönster trycks litografiskt in i filmen så att forskare kan förändra materialets egenskaper inom specifika områden. Selektiv behandling av filmbeläggningen i olika områden kontrollerar var stress och spänning appliceras över ytan. Och eftersom den optiska ytan och beläggningen är vidhäftade tillsammans, omformar manipulering av beläggningsmaterialet också den optiska ytan i enlighet därmed.

"Du lägger inte till stress för att skapa en form, du tar selektivt bort stress i specifika riktningar med noggrant utformade geometriska strukturer, som prickar eller linjer", säger Schattenburg, senior forskare och chef för Space Nanotechnology Laboratory. "Det är bara ett visst sätt att ge en målspänningsavlastning på ett enda ställe i spegeln som sedan kan böja materialet."

En idé från att korrigera rymdspeglar

Sedan 2017 har SNL-teamet arbetat med NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) för att utveckla en process för att korrigera formförvrängningen hos röntgenteleskopspeglar som orsakas av beläggningsspänning. Forskningen härrörde från ett projekt för att bygga röntgenspeglar för NASA:s Lynx nästa generations röntgenteleskopuppdragskoncept, som kräver tiotusentals högprecisionsspeglar. På grund av uppgiften att fokusera röntgenstrålar måste speglarna vara mycket tunna för att samla in röntgenstrålar effektivt. Speglar förlorar dock styvhet snabbt när de tunnas ut, och blir lätt förvrängda av spänningen från deras reflekterande beläggningar – ett nanometertjockt iridiumskikt belagt på framsidan i syfte att reflektera röntgenstrålar.

"Mitt team på GSFC har tillverkat och belagt tunna röntgenspeglar sedan 2001", säger William Zhang, gruppledare för röntgenoptik på GSFC. "Eftersom kvaliteten på röntgenspeglar har förbättrats kontinuerligt under de senaste decennierna efter tekniska framsteg, har distorsion orsakad av beläggningar blivit ett allt allvarligare problem." Yao och hans team utvecklade en metod för litografisk spänningsmönster, som framgångsrikt kombinerar flera olika tekniker, för att uppnå ett utmärkt avlägsnande av distorsion när de appliceras på röntgenspeglar tillverkade av gruppen.

Efter denna första framgång beslutade teamet att utvidga processen till mer generella tillämpningar, såsom friformsformning av speglar och tunna substrat, men de mötte ett stort hinder. "Tyvärr kan den process som utvecklats för GSFC bara exakt kontrollera en enda typ av ytspänning, den så kallade 'ekvibiaxiala' eller rotationslikformiga påkänningen", säger Chalifoux. "Ekvibiaxiella spänningstillstånd kan endast uppnå skålliknande lokal böjning av ytan, som inte kan korrigera förvrängningar av potatischips eller sadelform. För att uppnå godtycklig kontroll av ytböjning krävs kontroll av alla tre termerna i den så kallade 'ytspänningstensorn'."

För att uppnå full kontroll över stresstensorn vidareutvecklade Yao och hans team tekniken och uppfann så småningom vad de kallar stresstensor-mesostrukturer (STMs), som är kvasi-periodiska celler uppställda på baksidan av tunna substrat, sammansatta av gitter ovanpå varandra. stressade beläggningar. "Genom att rotera gittrets orientering i varje enhetscell och ändra areadelen av valda områden kan alla tre komponenterna i spänningstensorfältet kontrolleras samtidigt med en enkel mönstringsprocess", förklarar Yao.

Teamet ägnade mer än två år åt att utveckla detta koncept. "Vi stötte på en rad svårigheter i processen", säger Schattenburg. "Friformsformning av kiselwafers med nanometerprecision kräver en synergi av metrologi, mekanik och tillverkning. Genom att kombinera labbets decenniers erfarenhet av ytmetrologi och mikrotillverkning med doktorandutvecklade tunnplåtsmodellerings- och optimeringsverktyg, kunde vi för att demonstrera en allmän substratformkontrollmetod som inte är begränsad till enbart skålliknande ytböjning."

En lovande teknik för många applikationer

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." + Utforska vidare

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.