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Espejo deformable

Se puede utilizar un espejo deformable para corregir errores de frente de onda en un telescopio astronómico.

Los espejos deformables ( DM ) son espejos cuya superficie se puede deformar, con el fin de lograr el control del frente de onda y la corrección de aberraciones ópticas . Los espejos deformables se utilizan en combinación con sensores de frente de onda y sistemas de control en tiempo real en óptica adaptativa . En 2006 encontraron un nuevo uso en el modelado de pulsos de femtosegundos . [1]

La forma de un DM se puede controlar con una velocidad adecuada para compensar las aberraciones dinámicas presentes en el sistema óptico. En la práctica, la forma del DM se debe modificar mucho más rápido que el proceso que se desea corregir, ya que el proceso de corrección, incluso para una aberración estática, puede requerir varias iteraciones.

Un DM suele tener muchos grados de libertad. Normalmente, estos grados de libertad están asociados a los actuadores mecánicos y, a grandes rasgos, se puede suponer que un actuador corresponde a un grado de libertad .

Parámetros del espejo deformable

El espejo secundario deformable del VLT [2]

El número de actuadores determina el número de grados de libertad ( inflexiones del frente de onda ) que el espejo puede corregir. Es muy común comparar un DM arbitrario con un dispositivo ideal que puede reproducir perfectamente los modos del frente de onda en forma de polinomios de Zernike . Para estadísticas predefinidas de aberraciones, un espejo deformable con M actuadores puede ser equivalente a un corrector Zernike ideal con N (generalmente N < M) grados de libertad. Para la corrección de la turbulencia atmosférica, la eliminación de los términos Zernike de orden bajo generalmente da como resultado una mejora significativa de la calidad de la imagen, mientras que una corrección adicional de los términos de orden superior introduce mejoras menos significativas. Para fluctuaciones de error de frente de onda fuertes y rápidas, como choques y turbulencia de estela que se encuentran típicamente en campos de flujo aerodinámico de alta velocidad, el número de actuadores, el paso y la carrera del actuador determinan los gradientes máximos del frente de onda que se pueden compensar.

El paso de actuador es la distancia entre los centros de los actuadores. Los espejos deformables con un paso de actuador grande y una gran cantidad de actuadores son voluminosos y costosos.

La carrera del actuador es el desplazamiento máximo posible del actuador, normalmente en excursiones positivas o negativas desde una posición nula central. La carrera normalmente varía de ±1 a ±30 micrómetros. La carrera libre del actuador limita la amplitud máxima del frente de onda corregido, mientras que la carrera entre actuadores limita la amplitud máxima y los gradientes de las aberraciones de orden superior corregibles.

La función de influencia es la forma característica que corresponde a la respuesta del espejo a la acción de un único actuador. Los distintos tipos de espejos deformables tienen distintas funciones de influencia; además, las funciones de influencia pueden ser distintas para distintos actuadores del mismo espejo. La función de influencia que cubre toda la superficie del espejo se denomina función "modal", mientras que la respuesta localizada se denomina "zonal".

El acoplamiento de actuadores muestra cuánto desplazará el movimiento de un actuador a sus vecinos. Todos los espejos "modales" tienen un gran acoplamiento cruzado, lo que de hecho es bueno, ya que garantiza la alta calidad de corrección de las aberraciones ópticas suaves de bajo orden que, por lo general, tienen el mayor peso estadístico.

El tiempo de respuesta muestra la rapidez con la que el espejo reaccionará a la señal de control. Puede variar desde microsegundos (espejos MEMS y magnéticos) hasta decenas de segundos para los espejos DM controlados térmicamente.

La histéresis y el deslizamiento son efectos de actuación no lineales que reducen la precisión de la respuesta del espejo deformable. Para diferentes conceptos, la histéresis puede variar desde cero (espejos accionados electrostáticamente) hasta decenas de por ciento para espejos con actuadores piezoeléctricos. La histéresis es un error de posición residual de los comandos de posición del actuador anteriores y limita la capacidad del espejo para funcionar en un modo de avance, fuera de un bucle de retroalimentación.

Conceptos de espejos deformables

Espejo de carcasa delgada para el sistema de óptica adaptativa del Very Large Telescope de ESO . La carcasa tiene 1120 milímetros de ancho pero solo 2 milímetros de espesor. [3]

Los espejos segmentados están formados por segmentos de espejo planos independientes. Cada segmento puede moverse una pequeña distancia hacia adelante y hacia atrás para aproximarse al valor promedio del frente de onda sobre el área del parche. Ventajosamente, estos espejos tienen poca o ninguna comunicación cruzada entre actuadores. La aproximación por pasos funciona mal para frentes de onda continuos suaves. Los bordes afilados de los segmentos y los espacios entre los segmentos contribuyen a la dispersión de la luz, lo que limita las aplicaciones a aquellos no sensibles a la luz dispersa. Se puede lograr una mejora considerable del rendimiento del espejo segmentado mediante la introducción de tres grados de libertad por segmento: pistón, punta e inclinación. Estos espejos requieren tres veces más actuadores en comparación con los espejos segmentados de pistón. Este concepto se utilizó para la fabricación de grandes espejos primarios segmentados para los telescopios Keck , el telescopio espacial James Webb y el futuro E-ELT . Existen numerosos métodos para co-fasear con precisión los segmentos y reducir los patrones de difracción introducidos por las formas y los espacios de los segmentos. Los futuros grandes telescopios espaciales, como el Large UV Optical Infrared Surveyor de la NASA , también contarán con un espejo primario segmentado. El desarrollo de métodos robustos para aumentar el contraste es clave para la obtención de imágenes directas y la caracterización de exoplanetas .

Los espejos con concepto de placa frontal continua con actuadores discretos están formados por la superficie frontal de una membrana delgada y deformable. La forma de la placa está controlada por una serie de actuadores discretos que están fijados a su lado posterior. La forma del espejo depende de la combinación de fuerzas aplicadas a la placa frontal, las condiciones de contorno (la forma en que la placa está fijada al espejo) y la geometría y el material de la placa. Estos espejos permiten un control suave del frente de onda con grados de libertad muy grandes (hasta varios miles).

Los espejos de concepto magnético consisten en una membrana continua, delgada y flexible, accionada por bobinas de voz e imanes. Esta tecnología permite una gran flexibilidad de diseño para lograr rendimientos muy diferentes. Dependiendo de las opciones de diseño elegidas, pueden lograr un recorrido inigualable (hasta cien micras de deformación) o una velocidad muy alta (menos de 100 ms). Como la membrana es una sola lámina de material, también se puede lograr una calidad óptica muy alta. Esta tecnología puede mostrar una buena estabilidad y mantener su forma casi inalterada durante semanas. El número de actuadores puede variar desde varias decenas de actuadores hasta varios miles de actuadores.

Los espejos con concepto MEMS se fabrican utilizando tecnologías de micromaquinado de superficie y en masa. Consisten en una fina membrana reflectante controlada por una multitud de actuadores . [4] Los espejos MEMS podrían romper el umbral de alto precio de la óptica adaptativa convencional . Permiten una mayor cantidad de actuadores a un precio más rentable, lo que permite una corrección precisa del frente de onda. [4] Los espejos MEMS ofrecen tiempos de respuesta rápidos de los actuadores [5] con histéresis limitada. Un beneficio adicional es que las tecnologías de micromaquinado permiten el beneficio de las economías de escala para crear espejos deformables más baratos y livianos con una mayor cantidad de actuadores. [6]

Los espejos con concepto de membrana están formados por una fina membrana conductora y reflectante que se extiende sobre un marco plano sólido. La membrana se puede deformar electrostáticamente aplicando voltajes de control a actuadores de electrodos electrostáticos que se pueden colocar debajo o encima de la membrana. Si hay electrodos colocados sobre la membrana, son transparentes. Es posible operar el espejo con un solo grupo de electrodos colocados debajo del espejo. En este caso, se aplica un voltaje de polarización a todos los electrodos, para hacer que la membrana sea inicialmente esférica. La membrana puede moverse hacia adelante y hacia atrás con respecto a la esfera de referencia.

Un espejo deformable de ferrofluido

Los espejos bimorfos están formados por dos o más capas de materiales diferentes. Una o más de las capas (activas) están fabricadas con un material piezoeléctrico o electroestrictivo. La estructura de los electrodos se modela en la capa activa para facilitar la respuesta local. El espejo se deforma cuando se aplica un voltaje a uno o más de sus electrodos, lo que hace que se extiendan lateralmente, lo que da lugar a una curvatura local del espejo. Los espejos bimorfos rara vez se fabrican con más de 100 electrodos.

Los espejos con concepto de ferrofluido son espejos deformables en forma de líquido fabricados con una suspensión de pequeñas nanopartículas ferromagnéticas (de unos 10 nm de diámetro) dispersas en un portador líquido. En presencia de un campo magnético externo, las partículas ferromagnéticas se alinean con el campo, el líquido se magnetiza y su superficie adquiere una forma gobernada por el equilibrio entre las fuerzas magnéticas, gravitacionales y de tensión superficial. Utilizando geometrías de campo magnético adecuadas, se puede producir cualquier forma deseada en la superficie del ferrofluido. Este nuevo concepto ofrece una alternativa potencial para espejos deformables de bajo costo, gran recorrido y gran número de actuadores. [7] [8] [9]

Véase también

Referencias

  1. ^ "OKO presenta Piezoelectraptiveoptics lineal.org/News_0106_2.html".
  2. ^ "El nuevo espejo secundario deformable del VLT". www.eso.org . Consultado el 1 de noviembre de 2016 .
  3. ^ "Espejo superfino para imágenes más nítidas de estrellas". Anuncios de ESO . Consultado el 5 de marzo de 2012 .
  4. ^ ab Bifano, T.; Cornelissen, S.; Bierden, P. (2010). "Espejos deformables MEMS en óptica adaptativa astronómica". 1.ª conferencia AO4ELT - Óptica adaptativa para telescopios extremadamente grandes . París, Francia: EDP Sciences. p. 06003. Bibcode :2010aoel.confE6003B. doi : 10.1051/ao4elt/201006003 . ISBN 978-2-7598-0496-2.
  5. ^ Wallace, Brian P.; Hampton, Peter J.; Bradley, Colin H.; Conan, Rodolphe (30 de octubre de 2006). "Evaluación de un espejo deformable MEMS para un banco de pruebas de óptica adaptativa". Optics Express . 14 (22): 10132–10138. Bibcode :2006OExpr..1410132W. doi : 10.1364/OE.14.010132 . ISSN  1094-4087. PMID  19529409.
  6. ^ Madec, P. (7 de junio de 2015). "Descripción general de las tecnologías de espejos deformables para óptica adaptativa". Imaging and Applied Optics 2015. Optical Society of America. págs. AOTh2C.1. doi : 10.1364/AOMS.2015.AOTh2C.1 . ISBN. 978-1-943580-00-2.
  7. ^ P. Laird; R. Bergamasco; V. Berube; EF Borra; A. Ritcey; M. Rioux; N. Robitaille; S. Thibault; L. Vieira da Silva Jr; H. Yockell-Lelievre (agosto de 2002). "Espejos deformables basados ​​en ferrofluidos: un nuevo enfoque para la óptica adaptativa utilizando espejos líquidos". En Wizinowich, Peter L.; Bonaccini, Domenico (eds.). Espejos deformables basados ​​en ferrofluidos: un nuevo enfoque para la óptica adaptativa utilizando espejos líquidos . Actas de la reunión de SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation. Vol. 4839. pág. 733. arXiv : astro-ph/0212189 . doi :10.1117/12.459065. S2CID  119057652.
  8. ^ P. Laird; N. Caron; M. Rioux; EF Borra; A. Ritcey (2006). "Espejos adaptativos ferrofluídicos". Óptica Aplicada . 45 (15): 3495–3500. Código Bibliográfico :2006ApOpt..45.3495L. doi :10.1364/AO.45.003495. PMID  16708094.
  9. ^ Denis Brousseau; Ermanno F. Borra; Simon Thibault (2007). "Corrección del frente de onda con un espejo deformable de ferrofluido con 37 actuadores". Optics Express . 15 (26): 18190–18199. Bibcode :2007OExpr..1518190B. doi : 10.1364/OE.15.018190 . PMID  19551117.