Espelho Deformável - Deformable mirror
Os espelhos deformáveis ( DM ) são espelhos cuja superfície pode ser deformada, a fim de alcançar o controle da frente de onda e correção de aberrações ópticas . Os espelhos deformáveis são usados em combinação com sensores de frente de onda e sistemas de controle em tempo real em óptica adaptativa . Em 2006, eles encontraram um novo uso na modelagem do pulso de femtossegundo .
A forma de um DM pode ser controlada com uma velocidade apropriada para compensação de aberrações dinâmicas presentes no sistema óptico. Na prática, a forma do DM deve ser alterada muito mais rápido do que o processo a ser corrigido, pois o processo de correção, mesmo para uma aberração estática, pode levar várias iterações.
Um Mestre geralmente possui muitos graus de liberdade. Normalmente, esses graus de liberdade estão associados aos atuadores mecânicos e pode-se presumir que um atuador corresponde a um grau de liberdade .
Parâmetros de espelho deformáveis
O número de atuadores determina o número de graus de liberdade ( inflexões da frente de onda ) que o espelho pode corrigir. É muito comum comparar um DM arbitrário a um dispositivo ideal que pode reproduzir perfeitamente os modos de frente de onda na forma de polinômios de Zernike . Para estatísticas predefinidas de aberrações, um espelho deformável com atuadores M pode ser equivalente a um corretor Zernike ideal com N (geralmente N <M) graus de liberdade. Para a correção da turbulência atmosférica, a eliminação dos termos Zernike de ordem inferior geralmente resulta em uma melhoria significativa da qualidade da imagem, enquanto a correção posterior dos termos de ordem superior introduz melhorias menos significativas. Para flutuações de erro de frente de onda fortes e rápidas, como choques e turbulência de esteira normalmente encontradas em campos de fluxo aerodinâmicos de alta velocidade, o número de atuadores, passo e curso do atuador determinam os gradientes máximos de frente de onda que podem ser compensados.
O passo do atuador é a distância entre os centros do atuador. Os espelhos deformáveis com grande passo do atuador e grande número de atuadores são volumosos e caros.
O curso do atuador é o deslocamento máximo possível do atuador, normalmente em excursões positivas ou negativas de alguma posição nula central. O curso normalmente varia de ± 1 a ± 30 micrômetros. O curso livre do atuador limita a amplitude máxima da frente de onda corrigida, enquanto o curso inter-atuador limita a amplitude máxima e os gradientes das aberrações corrigíveis de ordem superior.
A função de influência é a forma característica correspondente à resposta do espelho à ação de um único atuador. Diferentes tipos de espelhos deformáveis têm diferentes funções de influência, além disso, as funções de influência podem ser diferentes para diferentes atuadores do mesmo espelho. A função de influência que cobre toda a superfície do espelho é chamada de função "modal", enquanto a resposta localizada é chamada de "zonal".
O acoplamento do atuador mostra o quanto o movimento de um atuador irá deslocar seus vizinhos. Todos os espelhos "modais" têm um grande acoplamento cruzado, o que na verdade é bom, pois garante a alta qualidade de correção de aberrações ópticas suaves de baixa ordem que geralmente têm o maior peso estatístico.
O tempo de resposta mostra a rapidez com que o espelho reagirá ao sinal de controle. Pode variar de microssegundos (MEMS e espelhos magnéticos) a dezenas de segundos para DMs termicamente controlados.
Histerese e fluência são efeitos de atuação não linear que diminuem a precisão da resposta do espelho deformável. Para conceitos diferentes, a histerese pode variar de zero (espelhos acionados eletrostaticamente) a dezenas de por cento para espelhos com atuadores piezoelétricos. A histerese é um erro de posição residual dos comandos anteriores de posição do atuador e limita a capacidade do espelho de funcionar em modo feedforward, fora de um ciclo de feedback.
Conceitos de espelho deformável
Os espelhos de conceito segmentados são formados por segmentos de espelho planos independentes. Cada segmento pode se mover uma pequena distância para frente e para trás para aproximar o valor médio da frente de onda sobre a área do patch. Vantajosamente, esses espelhos têm pouca ou nenhuma interferência entre os atuadores. A aproximação passo a passo funciona mal para frentes de onda contínuas suaves. As bordas afiadas dos segmentos e as lacunas entre os segmentos contribuem para a dispersão da luz, limitando as aplicações àquelas não sensíveis à dispersão da luz. Uma melhoria considerável do desempenho do espelho segmentado pode ser alcançada pela introdução de três graus de liberdade por segmento: pistão, ponta e inclinação. Esses espelhos requerem três vezes mais atuadores em comparação com os espelhos segmentados de pistão. Este conceito foi usado para a fabricação de grandes espelhos primários segmentados para os telescópios Keck , JWST e o futuro E-ELT . Existem vários métodos para co-fase com precisão dos segmentos e reduzir os padrões de difração introduzidos pelas formas e lacunas do segmento. Futuros grandes telescópios baseados no espaço, como o NASA Large UV Optical Infrared Surveyor também possuirão um espelho primário segmentado. O desenvolvimento de métodos robustos para aumentar o contraste é a chave para a imagem direta e caracterização de exoplanetas .
Os espelhos de conceito de placa frontal contínua com atuadores discretos são formados pela superfície frontal de uma membrana deformável fina. A forma da placa é controlada por vários atuadores discretos que são fixados em sua parte traseira. A forma do espelho depende da combinação de forças aplicadas à placa frontal, das condições de contorno (a forma como a placa é fixada ao espelho) e da geometria e do material da placa. Esses espelhos permitem um controle suave da frente de onda com graus de liberdade muito grandes - até vários milhares.
Os espelhos de conceito magnético são baseados em superfícies reflexivas contínuas movidas por atuadores magnéticos. Eles apresentam cursos grandes, linearidade e tempo de estabilização rápido.
Os espelhos de conceito de MEMS são fabricados usando tecnologias de microusinagem de superfície e em massa. Eles consistem em uma fina membrana reflexiva controlada por uma infinidade de atuadores . Os espelhos MEMS podem quebrar o alto limite de preço da óptica adaptativa convencional. Eles permitem uma contagem mais alta de atuadores a um preço mais econômico, permitindo uma correção precisa da frente de onda. Os espelhos MEMS oferecem tempos de resposta rápidos dos atuadores com histerese limitada. Um benefício adicional é que as tecnologias de microusinagem permitem o benefício de economias de escala para criar espelhos deformáveis mais baratos e mais leves com um número maior de atuadores.
Os espelhos de conceito de membrana são formados por uma fina membrana condutora e reflexiva esticada sobre uma sólida estrutura plana. A membrana pode ser deformada eletrostaticamente pela aplicação de tensões de controle a atuadores de eletrodos eletrostáticos que podem ser posicionados sob ou sobre a membrana. Se houver eletrodos posicionados sobre a membrana, eles serão transparentes. É possível operar o espelho com apenas um grupo de eletrodos posicionados sob o espelho. Neste caso, uma tensão de polarização é aplicada a todos os eletrodos, para fazer a membrana inicialmente esférica. A membrana pode se mover para frente e para trás em relação à esfera de referência.
Os espelhos de conceito bimorfo são formados por duas ou mais camadas de materiais diferentes. Uma ou mais das camadas (ativas) são fabricadas a partir de um material piezoelétrico ou eletrostritivo. A estrutura do eletrodo é padronizada na camada ativa para facilitar a resposta local. O espelho é deformado quando uma tensão é aplicada a um ou mais de seus eletrodos, fazendo com que eles se estendam lateralmente, o que resulta na curvatura local do espelho. Os espelhos bimorfos raramente são feitos com mais de 100 eletrodos.
Os espelhos de conceito de ferrofluido são espelhos deformáveis líquidos feitos com uma suspensão de pequenas (cerca de 10 nm de diâmetro) nanopartículas ferromagnéticas dispersas em um transportador líquido. Na presença de um campo magnético externo, as partículas ferromagnéticas se alinham com o campo, o líquido se magnetiza e sua superfície adquire uma forma governada pelo equilíbrio entre as forças magnética, gravitacional e de tensão superficial. Usando geometrias de campo magnético adequadas, qualquer forma desejada pode ser produzida na superfície do ferrofluido. Este novo conceito oferece uma alternativa potencial para espelhos deformáveis de baixo custo, alto curso e grande número de atuadores.
