Des lasers femtosecondes utilisés pour fabriquer des miroirs ultrafins de précision pour les télescopes spatiaux qui capturent la formation d’étoiles et d’autres événements spatiaux à haute énergie


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  • Des chercheurs ont mis au point une nouvelle façon d’utiliser des impulsions laser femtosecondes pour fabriquer les miroirs ultrafins de haute précision nécessaires aux télescopes à rayons X hautes performances. La technique pourrait aider à améliorer les télescopes spatiaux à rayons X utilisés pour capturer les événements cosmiques à haute énergie impliqués dans la formation de nouvelles étoiles et de trous noirs supermassifs.

    « La détection des rayons X cosmiques est un élément crucial de notre exploration de l’univers qui dévoile les événements à haute énergie qui imprègnent notre univers mais ne sont pas observables dans d’autres bandes d’ondes », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Heng Zuo, qui a effectué la recherche au MIT Kavli. Institute for Astrophysics and Space Research et est maintenant à l’Université du Nouveau-Mexique. « Les technologies développées par notre groupe aideront les télescopes à obtenir des images nettes de rayons X astronomiques qui peuvent répondre à de nombreuses questions scientifiques intrigantes. »

    Les télescopes à rayons X orbitent au-dessus de l’atmosphère terrestre et contiennent des milliers de miroirs minces qui doivent chacun avoir une forme incurvée avec précision et être soigneusement alignés par rapport à tous les autres miroirs. Dans Optiquela revue d’Optica Publishing Group pour la recherche à fort impact, les chercheurs décrivent comment ils ont utilisé le micro-usinage au laser femtoseconde pour plier ces miroirs ultrafins en une forme précise et corriger les erreurs qui peuvent survenir dans le processus de fabrication.

    « Il est difficile de fabriquer des miroirs ultra-minces avec une forme exacte car le processus de fabrication a tendance à plier fortement le matériau mince », a déclaré Zuo. « De plus, les miroirs des télescopes sont généralement revêtus pour augmenter la réflectivité, et ces revêtements déforment généralement davantage les miroirs. Nos techniques peuvent relever les deux défis. »

    Pliage de précision

    De nouvelles façons de fabriquer des miroirs à rayons X ultra-précis et performants pour les télescopes sont nécessaires alors que les nouveaux concepts de mission continuent de repousser les limites de l’imagerie par rayons X. Par exemple, le concept Lynx X-ray Surveyor de la NASA disposera de l’optique à rayons X la plus puissante jamais conçue et nécessitera la fabrication d’un grand nombre de miroirs à ultra-haute résolution.

    Pour répondre à ce besoin, le groupe de recherche de Zuo a combiné le micro-usinage au laser femtoseconde avec une technique précédemment développée appelée correction de la figure basée sur le stress. La correction de figure basée sur la contrainte exploite la capacité de pliage des miroirs minces en appliquant un film déformable sur le substrat du miroir pour ajuster ses états de contrainte et induire une flexion contrôlée.

    La technique consiste à éliminer sélectivement des régions d’un film stressé développé sur la surface arrière d’un miroir plat. Les chercheurs ont sélectionné des lasers femtosecondes pour y parvenir, car les impulsions produites par ces lasers peuvent créer des trous, des canaux et des marques extrêmement précis avec peu de dommages collatéraux. De plus, les taux de répétition élevés de ces lasers permettent des vitesses et un débit d’usinage plus rapides par rapport aux méthodes traditionnelles. Cela pourrait aider à accélérer la fabrication du grand nombre de miroirs ultra-minces requis pour les télescopes à rayons X de nouvelle génération.

    Cartographie des contraintes

    Pour mettre en œuvre la nouvelle approche, les chercheurs ont d’abord dû déterminer exactement comment le micro-usinage au laser modifie la courbure de surface et les états de contrainte du miroir. Ensuite, ils ont mesuré la forme initiale du miroir et créé une carte de la correction de contrainte nécessaire pour créer la forme souhaitée. Ils ont également développé un schéma de correction multi-passes qui utilise une boucle de rétroaction pour réduire à plusieurs reprises les erreurs jusqu’à ce qu’un profil de miroir acceptable soit atteint.

    « Nos résultats expérimentaux ont montré que l’élimination structurée des trous périodiques conduit à des états de contrainte équibiaxiaux (en forme de bol), tandis que l’élimination orientée à pas fin des creux périodiques génère des composantes de contrainte non équibiaxiales (en forme de chips) », a déclaré Zuo. « En combinant ces deux caractéristiques avec une rotation appropriée de l’orientation du creux, nous pouvons créer une variété d’états de contrainte qui peuvent, en principe, être utilisés pour corriger tout type d’erreur dans les miroirs. »

    Dans ce travail, les chercheurs ont démontré la nouvelle technique sur des tranches de silicium plates en utilisant des motifs réguliers. Pour corriger les vrais miroirs des télescopes d’astronomie à rayons X, qui sont incurvés dans deux directions, les chercheurs développent une configuration optique plus complexe pour le mouvement 3D des substrats.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Optique. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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