Dr. José Antonio de Diego Onsurbe
El objetivo de este proyecto es desarrollar un sistema de óptica activa económico, ligero y de fácil implementación para la corrección de aberraciones ópticas de los espejos primarios en los
telescopios astronómicos. Estas aberraciones están inducidos por deformaciones mecánicas, cambios de temperatura y por la manufactura misma de dichos espejos. Usaremos las propiedades mecánicas del grafeno para construir un sistema óptico con un espejo deformable que corrija dichas aberraciones mediante actuadores.
La óptica activa ha sido uno de los grandes avances en la resolución espacial para telescopios en tierra de los últimos años. Sin embargo su implementación sigue siendo costosa y difícil en muchos casos, como en telescopios anteriores a la década de 1980. En este proyecto pretendemos dar solución a estos problemas empleando material de grafeno para construir un sistema óptico novedoso. La experiencia que adquiramos con este proyecto y con la utilización del grafeno nos permitirá en un futuro la construcción de un sistema de óptica adaptativa que pudiera ser utilizado en telescopios de nueva generación.
El proyecto contempla la manufactura de prototipos y transferencia tecnológica a telescopios
astronómicos, así como la tramitación de una patente. También contempla la publicación de artículos en revistas internacionales arbitradas y memorias en congresos y la formación de recursos humanos, planeando la realización de tesis de licenciatura y de maestría.
Este proyecto empezó en 2016, pero no se solicitó apoyo a la CAPI debido al desfase que existe entre la aprobación de financiamiento por parte de PAPIIT y el calendario de solicitudes a la CAPI. Sin embargo, una vez obtenido el financiamiento, hemos adelantado en el diseño conceptual del
proyecto.
El método más usado para el control de las deformaciones en las membranas para óptica activa es mediante el uso de actuadores, éstos son relativamente baratos además de que se pueden adaptar a casi cualquier tipo de membrana. Este tipo de control es el propuesto ya que la velocidad de
Desarrollo de un sistema optomecatrónico para óptica activa en la
instrumentación astronómica
Responsable
Descripción del proyecto
Importancia del proyecto
Avances en el 2016
corrección que se necesita no es muy alta además de que las aberraciones estáticas son de bajo orden.
De igual forma existen diferentes materiales para fabricar membranas deformables, la más usada es el uso de silicon (mismo que los semiconductores) y mediante fuerzas electrostáticas se deforma la superficie. Para ello se utiliza una membrana de nitruro de silicon micromaquinada del orden de 5 micrómetros de espesor y depositada sobre silicón. Sin embargo, en este proyecto planeamos utilizar un polímero de carbono reforzado como se verá más adelante.
La primera idea propuesta para desarrollar una membrana fue usar una película de grafeno como medio activo. La idea original era modificar mediante actuadores la superficie de la película de grafeno, al cual se le depositaría una película de aluminio para usarlo como espejo deformable. Se compraron varias muestras de grafeno de la empresa Graphenea con la finalidad de familiarizarnos con el producto y empezar con las pruebas ópticas del grafeno (ver apartado de pruebas ópticas más abajo).
Después de trabajar con el grafeno, nos dimos cuenta de la dificultad de manipular con este material ya que al ser muy delgado es extremadamente difícil de controlar. El proceso consiste en separar el grafeno de un soporte de cobre sobre el que se asienta, separándolo con un ácido. En la práctica, encontramos que utilizar el grafeno así obtenido directamente implica problemas de estabilidad mecánica, ya que no es posible modificar y conservar la forma de la película de grafeno sin quebrarla, por lo que de esta manera no puede utilizarse como membrana deformable.
Al ser extremadamente delgado, es necesario transferir el grafeno sobre un substrato (vidrio en los primeros experimentos) para poder manipularlo. Entonces nos encontramos con el inconveniente de que el substrato debe de ser flexible para poder deformarlo junto con el grafeno, por lo que si usamos un substrato de vidrio o algún otro material debe ser delgado y no debe de perder las propiedades de una membrana deformable para poder compensar las aberraciones del frente de onda del telescopio. Una de las preguntas que surgieron después de manipular el grafeno fue “cómo modificar la forma del grafeno sin perder sus propiedades”. Encontramos que el uso de un polímero de carbón reforzado como espejo deformable ha tenido un auge en años recientes (p.e. Coughenoura et al. 2010).
Básicamente el método consiste en replicar la forma del espejo (plana-cóncava-convexa) a un máster o mandril, donde el polímero se “prensa” sobre la superficie negativa que se quiere formar y por replicación obtenemos la superficie deseada. Se han hecho estudios usando este método principalmente en la Universidad de Arizona desarrollando una membrana para óptica activa. Después de estudiar este método de replicación, proponemos usar el método “resina/grafeno/fibra reforzada” para aumentar las capacidades de la membrana, esto es, mejorar la transferencia de calor y evitar deformaciones por gradientes de temperatura, mejorar la estabilidad mecánica usando las propiedades del grafeno y por último mejorar la frecuencia espacial (rugosidad) de la membrana evitando el efecto de “fibre print” debido al uso de la fibra reforzada.
PRUEBAS Y PROPUESTA DE SUBSTRATO
Una de las primeras pruebas con el grafeno fue depositar la película sobre un substrato y medir en un interferómetro zygo si la película modifica de alguna manera la forma de la superficie de la membrana. Para ello se colocaron 2 películas de grafeno (5 mm longitud) en un porta-objetos y se midió la forma de la superficie, los resultados se muestran en la siguiente liga:
http://ow.ly/yjq5304y6sK
De acuerdo a los resultados, la película de grafeno “NO” modifica la forma del substrato (incluso podría mejorarla al suavizar la rugosidad, en espera de hacer más experimentos para confirmarlo). El siguiente paso es medir su rugosidad y compararla con la rugosidad del sustrato, una rugosidad clásica de un espejo es mejor que 30 nm p-v.
Por tanto, encontramos que es factible colocar la película de grafeno sobre un substrato de calidad óptica (criterio de rayleigh) sin degradar la calidad de la superficie.
Esto es un requerimiento necesario para usar el método de replicación en el desarrollo de una membrana deformable con calidad óptica.
Se propone usar picomotores como actuadores. El arreglo mínimo son 3 picomotores laterales con lo que obtendríamos el control de las primeras aberraciones de Seidel como es pistón y tip/tilt. En un futuro, con más actuadores corregiríamos astigmatismo, coma y esfericidad.
Para compensar las deformaciones estáticas primarias del telescopio como es pistón tip/tilt (plano) los movimientos del picomotor deben de ser del orden de 1 micrómetro.
En esta etapa se trata de demostrar que el uso de grafeno como película para una membrana
deformable es adecuado para óptica activa, por lo que la velocidad de respuesta en esta etapa no es importante. Se usará un valor de 1 Hz como primera aproximación.
Un punto interesante es “como sujetar la membrana a los actuadores”, basados en Coughenoura et al. (2010), proponemos el sistema de sujeción mediante magnetos cuya ventaja es que es un método extremadamente eficiente y sobre todo barato en su construcción.
Blake Coughenour ; S. Mark Ammons ; Michael Hart ; Robert Romeo ; Robert Martin, et al.
Demonstration of a robust curved carbon fiber reinforced polymer deformable mirror with low surface error, Proc. SPIE 7736, Adaptive Optics Systems II, 77363I (July 14, 2010); doi:10.1117/12.856326 Sistema de actuadores para el movimiento de la membrana
MOVIMIENTO MÍNIMO DE LOS PICOMOTORES
VELOCIDAD
SISTEMA OPTO-MECÁNICO DE SUJECIÓN
Los participantes en el proyecto son, aparte del responsable:
Dr. Valeri Orlov
Dr. Valeri Voitsekhovitch El Dra. Laura Natalia Serkovic Loli (Inst. Física)
Mtro. Fernando Ángeles Uribe (corresponsable) Dr. Alejandro Farah Simon
Dr. Luis Carlos Álvarez Núñez
Proyecto PAPIIT IT101116.
Enero — Abril: Ensamblaje mecánico de componentes y actuadores. Mayo: Ensamblaje electrónico y controladores.
Junio: Ajuste y pruebas en banca óptica.
Agosto — Septiembre: Pruebas interferométricas.
Mtro. Fernando Ángeles Uribe (10%)
Ensamblaje electrónico y control de actuadores. Dr. Alejandro Farah Simon (10%)
Ensamblajes mecánicos
Dr. Luis Carlos Álvarez Núñez (10%) Pruebas ópticas
Área temporal en el Laboratorio de óptica. Meses Enero — Junio (6 meses).
Pasillo con mesa óptica perforada a un costado del Albatros. Taller mecánico.
Participantes del proyecto durante 2016
Investigadores
Técnicos Académicos
Financiamiento
Calendario de trabajo para el 2017
TÉCNICOS ACADÉMICOS
1 semana, 8h x día, Abril.
Uso de área en Laboratorio de electrónica. 2 semanas, 8h x día, Mayo.
Torre óptica.
2 semanas, 3h x día, Junio. Interferómetro viejo.
2 semanas no continuas, 5h x día.
Finales de Agosto y finales de Septiembre.
No aplica.
