Depósitos de películas delgadas

para componentes astronómicas

Fecha: 30 de Septiembre de 2021

Bartolomé Reyes | Casos | Visto 679 veces

Breve reseña sobre la Astronomía en el mundo

La astronomía es un área fascinante dado que captura nuestra imaginación y curiosidad. Es una ciencia que estudia la estructura y la composición de los astros, su localización y las leyes de sus movimientos. Desde tiempos primordiales se practicó para saber sobre nuestra evolución. Todas las culturas del mundo han desarrollado algunas teorías sobre el origen del universo, la creación de la tierra, cosmos y galaxias. La humanidad ha tornado su mirada al cielo buscando respuestas en las estrellas, cosmos, planetas y la tierra misma. Consecuentemente, se han realizado grandes descubrimientos al respecto por la comunidad científica e incluso por aficionados, tales como movimientos de los planetas, galaxias, fuerzas de gravedad, estructuras internas de estrellas, supernovas entre otras.

Breve reseña de la astronomía en México

La astronomía en México ha sido desarrollada mucho antes del descubrimiento de América. Existen evidencias que los mayas ya habían desarrollado grandes avances en el tema, como lo fue el calendario solar, fechas importantes como el eclipse lunar y solar. Conocían con gran exactitud las revoluciones sinódicas de los planetas Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Calcularon los períodos de la Luna, del Sol y de estrellas. También los conquistadores españoles trajeron avances referentes a la astronomía. Consecuentemente, durante el transcurso del tiempo, hubieron ilustres mexicanos que practicaron actividades astronómicas durante todas las épocas de la historia. Como resultado del avance, el primer observatorio profesional dotado de telescopio se instaló en 1878 en el Observatorio Astronómico Nacional (OAN) en el castillo de Chapultepec, 14 años más tarde se trasladó a Tacubaya, Ciudad de México. En 1942 se inauguró el Observatorio Astrofísico de Tonantzintla, gracias a los esfuerzos de Luís Enrique Erro (1897-1955). Posteriormente, se desarrolló el Gran Telescopio Milimétrico (GTM, www.lmtgtm. org) que es un proyecto binacional México-EEUU, encabezado por el INAOE en México, y por la Universidad de Massachusetts (UMass) en EEUU. Éste es el mayor proyecto científico realizado en México en cualquier campo del conocimiento, hasta la fecha, con un presupuesto total de 120 millones de dólares. La participación de México con más de un 75%, lo convierte además en la principal iniciativa astronómica nacional para la nueva década. Más recientemente, en los últimos 15 años, personal científico y técnico del área de Taller Óptico del CIO ha trabajado en el desarrollo de sistemas ópticos espectrográficos muy especializados para importantes telescopios del mundo, como el Gran Telescopio de Canarias, GTC, de España, uno de los más grandes telescopios del mundo, y el Telescopio robótico Liverpool del Reino Unido por mencionar algunos.

Recubrimientos de películas delgadas

La historia de películas delgadas ha existido desde hace miles de años. Los egipcios ya aplicaban láminas muy finas de oro para adornar sarcófagos, santuarios y coronas. Actualmente, un artesano puede conseguir las láminas de oro alrededor de 0.05um de espesor. En general, el recubrimiento de películas se usa para varias cosas que pueden ser desde el embellecimiento de los materiales, hasta la mejora en su rendimiento, esto va a depender de su aplicación.

En el ámbito de la óptica, el recubrimiento de películas delgadas consiste en recubrir algún material en específico, combinar materiales, ya sea en capas alternadas o con mezcla de materiales para producir nuevas propiedades ópticas y eléctricas no encontradas en la naturaleza, con el fin de modificar propiedades de dichos materiales usados como substrato o lente. Para esto se tiene que controlar los parámetros como espesor, temperatura, nivel de vacío (presión atmosférica), entre otros factores para la fabricación de la película. Con esto se pueden lograr excelentes porcentajes de reflectancia o transmitancia (que refleje o transmita el mayor porcentaje de luz), dependiendo de la necesidad. Para lograr una máxima transmitancia, reflectancia de un material, es importante partir de un diseño, y esto se logra con software especializados en el área o con modelos matemáticos. Con el conocimiento y software adecuado, se puede lograr la combinación de materia les en capas alternadas o evaporadas simultáneamente sobre un substrato, dando origen a nuevas propiedades ópticas y eléctricas de los materiales, permitiendo así el diseño de dispositivos ópticos o electrópticos.

Figura 1. Lente recubierta del proyecto MEGARA

Para lograr llevar a cabo los recubrimientos, existen técnicas tradicionales que permiten el control de la evaporación de capas delgadas, como son: la evaporación térmica, el cañón de electrones, métodos de pulverización (catódica, radio frecuencia, reactiva, etc.), depósito de vapor químico, evaporación por pulsos láser. Recientemente se han desarrollado nuevas técnicas como: depósito de capas moleculares, asistencia de iones, evaporación por plasma, evaporación de capas atómicas, etc. Actualmente se ha llegado a la etapa de automatización total del proceso de fabricación de determinados dispositivos ópticos. Con esto se logra un mejor control, teniendo resultados excelentes para cada necesidad.

Figura 2. Lente recubierta del proyecto WEAVE

Figura 3. Espejo ZERODUR recubierto del proyecto WEAVE

Recubrimiento de películas delgadas en óptica para astronomí

En el laboratorio de películas delgadas del CIO se llevan a cabo recubrimientos de componentes ópticos para uso astronómico. Se han recubierto lentes cóncavos, convexos de muy alta transmitancia (>99.5%) y espejos de muy alta reflectancia (>98%). Los recubrimientos en el laboratorio de películas se han llevado a cabo con estricto control en limpieza, descontaminación del medio, cuidado en la limpieza de la montura para las ópticas, limpieza de las ópticas dentro de una mesa de flujo laminar. Para asegurar la buena adherencia de los materiales a la óptica, se calienta dicha óptica a una temperatura de 250 grados de manera controlada. Para lograr el recubrimiento de ópticas grandes, se cuenta con una evaporadora de uso comercial cuyo tamaño de campana es de 1m3 . En esta evaporadora se han recubierto desde substratos de 0.5 pulgadas hasta óptica de 80 cm de diámetro. De los proyectos que se mencionan abajo, algunas de las ópticas fueron muy difíciles de trabajar, como el fluoruro de calcio. En especial, este material ha requerido el calentamiento controlado de hasta 72 horas para alcanzar los 250 grados. Por mencionar algunos proyectos realizados, se han recubierto de películas delgadas de muy alta calidad y gama de materiales para el brazo rojo del espectrómetro Fibre-fed Robotic Dualbeam Optical Spectrograph (FRODOSpec), para el telescopio robótico inglés, Liverpool Telescope, el espectrómetro Equalized and DIffraction-limited FIeld Spectrograph Experiment (EDIFISE), el espectrómetro Multi Espectrómetro en GTC de Alta Resolución para Astronomía (MEGARA), para el Gran Telescopio de Canarias, en la figura 1 se muestra una lente de dicho proyecto. También se han recubierto el espectrógrafo William Herschel Telescope, Enhanced Area Velocity Explorer (WEAVE), este espectrógrafo tiene un tamaño de 4.2 m, el cual se instaló en Islas Canarias, en la figura 2 se muestra una de las lentes recubierta. En la figura 3 se muestra el recubrimiento del espejo ZERODUR, como parte de la componente óptica del proyecto WEAWE. También se han recubiertos prismas cuyos lados rondan alrededor de 30 cm, del proyecto HORS. Este fue una solicitud del Instituto de Astrofísica de Canarias. En la figura 4 se muestra uno de los prismas mencionados.

Recientemente, se recubrieron ópticas de alta gama para el espectrógrafo Spectrograph and Camera for the Observation of Rapid Phenomena in the Infrared and Optical (SCORPIO) que se instalará en Chile. En la figura 5 se muestra uno de los prismas del proyecto SCORPIO. En cada uno de ellos se presentaron y se resolvieron retos tecnológicos de ingeniería.

En conclusión, este tipo de recubrimientos requieren técnicas muy especializadas para lograr la máxima calidad posible y así tener una visualización nítida en su aplicación. El avance que ha mostrado la astronomía, cada día se requiere nuevos retos para cubrir las necesidades de dicho campo. Durante el avance de la tecnología, surgen necesidades astronómicas de explorar en el espectro de infrarrojo cercano y mediano y para ello se requiere de métodos y diseños vanguardistas, nuevos tipos de materiales de evaporación para cubrir dicha necesidad.

Figura 4. Prisma que se recubrió para el proyecto HORS

Figura 5. Prisma que se recubrio del proyecto SCORPIO