Para las futuras observaciones coronómicas infrarrojas infrarrojas basadas en el espacio, se emplean los espejos de aluminio en los coronagraphs. Las observaciones de infrarrojo medio de banda ancha en el espacio requieren ópticas reflectantes enfriadas, mientras que la coronagrafy exige componentes ópticos de alta precisión. Por ejemplo, el coronagraph propuesto inicialmente para el proyecto satélite astronómico infrarrojo de próxima generación Spica (SCI: instrumento de coronagraph Spica) implicó la fabricación y evaluación de un sistema óptico que comprende espejos fuera del eje de aluminio de alta precisión con superficies de diamante. Se realizó un experimento de demostración óptica coronagraphic con una máscara de coronagrafía. Primero, el error de frente de onda (WFE) de los espejos de aluminio se midió utilizando un interferómetro Fizeau He-Ne para confirmar que la densidad espectral de potencia de los requisitos de SCI los cumplió con WFE. Posteriormente, los espejos se integraron en el sistema óptico, y se evaluó el rendimiento general del sistema. El WFE total de los componentes ópticos se estimó en 33 nm (RMS), con cada espejo contribuyendo de 10 a 20 nm (RMS) a la región central de 14 mm del componente óptico. Se logró un contraste de 10−5.4 10−5.4 para el coronagraph en luz visible. Según los cálculos del modelo y el rendimiento óptico medido, se proyecta que el sistema de imágenes coronagraphic alcanza un contraste de aproximadamente 10-7 10-7 a una longitud de onda de 5 µM.
Aplicación en la misión Ariel:
La misión Ariel (exoplaneta infrarroja de detección remota atmosférica) describe el diseño, el análisis y el desarrollo de un espejo prototipo de aluminio de 1 metro de diámetro para su telescopio. La Agencia Espacial Europea (ESA) ha seleccionado a Ariel como su próxima misión científica de clase media (M4), programada para el lanzamiento en 2028. La misión tiene como objetivo estudiar las atmósferas de exoplanetas seleccionadas. La carga útil se basa en un telescopio de 1 metro precedido por un conjunto de instrumentos. La configuración del telescopio se define como un diseño clásico de CasseGrain con una pupila excéntrica, un diseño de dos esposas y un espejo parabólico fuera del eje de tres ejes. Se realizó un análisis de compensación para los materiales para fabricar el espejo primario de 1 metro de diámetro (M1), y se seleccionó la aleación de aluminio como material de referencia tanto para los espejos y la estructura del telescopio. Hoy, metales como las aleaciones de aluminio se consideran con frecuencia para la fabricación de telescopios espaciales que operan en el rango de longitud de onda infrarroja. La producción de grandes espejos de aluminio como los de Ariel es un desafío, y se han iniciado programas dedicados de investigación y desarrollo para demostrar la viabilidad. Se ha fabricado y probado un espejo prototipo, de tamaño idéntico al modelo de vuelo M1 pero con un perfil de superficie más simple.
Aplicaciones en futuros satélites astronómicos infrarrojos:
Óptica enfriada para misiones de infrarrojos espaciales:
Para las misiones de infrarrojos espaciales, el enfriamiento de todo el instrumento es fundamental para suprimir el fondo infrarrojo y el ruido del detector. En este contexto, el aluminio es adecuado para la óptica criogénica porque su excelente maquinabilidad permite que el mismo material se use para toda la estructura del instrumento, incluidos los componentes ópticos, lo que ayuda a mitigar la desalineación óptica a bajas temperaturas. Los espejos de aluminio se fabricaron mediante mecanizado de ultra precisión, y su error de frente de onda (WFE) se midió utilizando un interferómetro Fizeau. Basado en la densidad espectral de potencia de la WFE, se confirmó la precisión de la superficie de todos los espejos para cumplir con los requisitos del instrumento de coronagraph Spica. Los espejos se integraron luego en el sistema óptico, y la calidad de imagen del sistema se inspeccionó utilizando un láser óptico. El WFE total se estimó en 33 nm (RMS) en función de la relación Strehl, consistente con los valores de WFE derivados de las mediciones de espejo individuales.
Aplicaciones en óptica criogénica de infrarrojo medio:
Restricciones de deformación y protección contra la corrosión:
En los instrumentos de infrarrojo medio, los espejos de aluminio recubiertos de oro se utilizan para la óptica criogénica. Para evaluar la deformación inducida por la contracción térmica de los espejos de aluminio, las mediciones de monitoreo de la superficie se realizaron durante los ciclos de enfriamiento de la temperatura ambiente a 100 K. Los resultados mostraron que los efectos de deformación se redujeron a un cuarto cuando los espejos se aseguraron con lavadoras de resorte. También se exploró un método efectivo para evitar la corrosión electroquímica de los espejos. Se prepararon múltiples muestras variando las condiciones de recubrimiento, como insertar capas aislantes, formar recubrimientos de bloqueo de humedad multicapa o realizar limpieza de precisión antes del recubrimiento. La limpieza de precisión antes de depositar la capa de oro y cubrirla con una capa protectora SIO demostró ser efectiva para inhibir la corrosión de aluminio. Los espejos sobre SIO sobrevivieron las pruebas de enfriamiento sobrevividas para aplicaciones de infrarrojo medio, que exhiben una reducción de reflectancia de aproximadamente 1% en el rango de 6–25 µm en comparación con los espejos no con recubrimiento de oro.
Aplicaciones en óptica láser infrarroja:
Fabricación de espejos IR dieléctricos con dieléctricos duraderos y con el medio ambiente: espejos de dieléctricos mejorados:
Se depositaron multicapa HFO 2 2 /SIO 2 2 en sustratos de aluminio girados de diamante de un solo punto a través de una deposición asistida por iones de plasma reactivos modificados para formar espejos de IR de dieléctricos dañados con láser y ambientalmente estables en una longitud de onda de 1064 nm. Se evaluó el impacto de la calidad de la superficie del aluminio de diamante en el rendimiento óptico de los espejos con dieléctricos. Se logró un umbral de daño inducido por láser (LIDT) de hasta 11 J/cm 2 2 para el espejo de aluminio mejorado probado en modo pulsado a 1064 nm con una duración de pulso de 20 ns y una tasa de repetición de 20 Hz. La morfología del daño por láser se reveló utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM). El mecanismo de daño se atribuyó a los defectos del nódulo causados por partículas incrustadas en la superficie del sustrato de aluminio.