Per le future osservazioni coronagrafiche astronomiche a infrarossi, specchi di alluminio sono impiegati nei coronagrafi. Le osservazioni a medio infrarosso a banda larga nello spazio richiedono un'ottica riflessiva raffreddata, mentre la coronagrafia richiede componenti ottici ad alta precisione. Ad esempio, il coronagrafo inizialmente proposto per il progetto satellitare astronomico a infrarossi di prossima generazione SPICA (SCI: SPICA CORONAGLAFICE) ha comportato la fabbricazione e la valutazione di un sistema ottico comprendente specchi off-asse in alluminio ad alta precisione con superfici a diamante. È stato condotto un esperimento di dimostrazione ottica coronagrafica con una maschera di coronagrafo. In primo luogo, l'errore del fronte d'onda (WFE) degli specchi in alluminio è stato misurato utilizzando un interferometro Fizeau He-NE per confermare che la densità spettrale di potenza del WFE ha soddisfatto i requisiti SCI. Successivamente, gli specchi sono stati integrati nel sistema ottico e le prestazioni complessive del sistema sono state valutate. Il WFE totale dei componenti ottici è stato stimato in 33 nm (RMS), con ciascun specchio che ha contribuito a 10-20 nm (RMS) alla regione centrale di 14 mm della componente ottica. Un contrasto di 10−5,4 10−5,4 è stato raggiunto per il coronagrafo in luce visibile. Sulla base dei calcoli del modello e delle prestazioni ottiche misurate, si prevede che il sistema di imaging coronagrafico raggiunga un contrasto di circa 10-7 10-7 a una lunghezza d'onda di 5 µm.
Applicazione nella missione Ariel:
La missione Ariel (atmosfera di telerilevamento esopianeta esopianeta) descrive la progettazione, l'analisi e lo sviluppo di uno specchio prototipo di alluminio di 1 metro di diametro per il suo telescopio. La European Space Agency (ESA) ha selezionato Ariel come prossima missione scientifica di media classe (M4), prevista per il lancio nel 2028. La missione mira a studiare le atmosfere di esopianeti selezionati. Il payload si basa su un telescopio di classe da 1 metro preceduto da una suite di strumenti. La configurazione del telescopio è definita come un design classico di cassegrani con una pupilla eccentrica, layout a due mirror e uno specchio parabolico fuori asse a tre assi. È stata condotta un'analisi di compromesso per materiali per fabbricare lo specchio primario di 1 metro di diametro (M1) e la lega di alluminio è stata selezionata come materiale di base sia per gli specchi del telescopio che per la struttura. Oggi, metalli come le leghe di alluminio sono spesso considerati per la produzione di telescopi spaziali che operano nella gamma di lunghezze d'onda a infrarossi. La produzione di grandi specchi in alluminio come quelli per Ariel è impegnativo e sono stati avviati programmi di ricerca e sviluppo dedicati per dimostrare la fattibilità. È stato fabbricato e testato uno specchio prototipo, identico al modello di volo M1 ma con un profilo di superficie più semplice.
Applicazioni nei futuri satelliti astronomici a infrarossi:
Ottica raffreddata per missioni a infrarossi spaziali:
Per le missioni a infrarossi spaziali, il raffreddamento dell'intero strumento è fondamentale per sopprimere lo sfondo a infrarossi e il rumore del rivelatore. In questo contesto, l'alluminio è adatto all'ottica criogenica perché la sua eccellente macchinabilità consente di utilizzare lo stesso materiale per l'intera struttura dello strumento, compresi i componenti ottici, che aiuta a mitigare il disallineamento ottico a basse temperature. Gli specchi di alluminio sono stati fabbricati tramite lavorazione ultra-precisione e il loro errore del fronte d'onda (WFE) è stato misurato utilizzando un interferometro Fizeau. Sulla base della densità spettrale di potenza del WFE, è stata confermata l'accuratezza della superficie di tutti gli specchi per soddisfare i requisiti dello strumento del coronagrafo SPICA. Gli specchi sono stati quindi integrati nel sistema ottico e la qualità dell'immagine del sistema è stata ispezionata utilizzando un laser ottico. Il WFE totale è stato stimato in 33 nm (RMS) in base al rapporto Strehl, coerente con i valori WFE derivati dalle singole misurazioni specchio.
Applicazioni in ottica criogenica a medio infrarosso:
Vincoli di deformazione e protezione della corrosione:
Negli strumenti a medio infrarosso, gli specchi di alluminio rivestiti in oro vengono utilizzati per l'ottica criogenica. Per valutare la deformazione indotta dalla contrazione termica degli specchi di alluminio, le misurazioni del monitoraggio della superficie sono state eseguite durante i cicli di raffreddamento dalla temperatura ambiente a 100 K. I risultati hanno mostrato che gli effetti di deformazione erano ridotti a un quarto quando gli specchi erano fissati con lavatrici a molla. È stato anche esplorato un metodo efficace per prevenire la corrosione elettrochimica degli specchi. Sono stati preparati più campioni variando le condizioni di rivestimento, come l'inserimento di strati isolanti, la formazione di rivestimenti a blocchi di umidità multistrato o eseguendo la pulizia di precisione prima del rivestimento. La pulizia di precisione prima di depositare lo strato d'oro e coprirlo con uno strato protettivo SIO si è rivelato efficace nell'inibizione della corrosione di alluminio. Gli specchi a livello SIO sono sopravvissuti ai test di raffreddamento per applicazioni a medio infrarosso, esibendo una riduzione della riflettanza di circa l'1% nell'intervallo di 6-25 µm rispetto agli specchi non rivestiti in oro.
Applicazioni in ottica laser a infrarossi:
Fabbricazione di specchi IR a dielettrica durettrica resistenti al laser:
I multistrati HFO 2 2 /SIO 2 2 sono stati depositati su substrati di alluminio trasformati a diamante a punto singolo tramite specchi IR reattivi reattivi modificati per formare specchi IR a livello dielettrico a una lunghezza d'onda di 1064 nm. È stato valutato l'impatto della qualità superficiale dell'alluminio trasformato in diamante sulle prestazioni ottiche degli specchi potenziati da dielettrico. Una soglia di danno indotta da laser (LIDT) fino a 11 J/cm 2 2 è stata ottenuta per lo specchio di alluminio migliorato testato in modalità pulsante a 1064 nm con una durata dell'impulso di 20 ns e una velocità di ripetizione di 20 Hz. La morfologia del danno laser è stata rivelata utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM). Il meccanismo di danno è stato attribuito a difetti noduli causati da particelle incorporate nella superficie del substrato di alluminio.