Les technologies qui dépendent de systèmes optiques légers et de haute précision, comme les télescopes spatiaux, les miroirs à rayons X et les panneaux d'affichage, se sont considérablement développées au cours des dernières décennies, mais les progrès plus avancés ont été limités par des défis apparemment simples. Par exemple, les surfaces des miroirs et des plaques avec des microstructures qui sont nécessaires dans ces systèmes optiques peuvent être déformées par des matériaux de revêtement de surface contraints, dégradant la qualité de l'optique. Cela est particulièrement vrai pour les systèmes optiques ultra-légers, tels que l'optique spatiale, où les méthodes de fabrication optique traditionnelles ont du mal à répondre aux exigences de forme rigoureuses.

Maintenant, les chercheurs du MIT Youwei Yao, Ralf Heilmann et Mark Schattenburg du Laboratoire de nanotechnologie spatiale (SNL) au sein de l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT, ainsi que le récent diplômé Brandon Chalifoux Ph.D., ont mis au point de nouvelles méthodes pour travailler au-delà cette barrière.

Dans un article paru dans le numéro du 20 avril d'Optica , Yao, chercheur scientifique et auteur principal de l'article, explique sa nouvelle approche pour remodeler les matériaux en plaques minces d'une manière qui élimine la distorsion et permet aux chercheurs de plier les surfaces de manière plus arbitraire dans les formes précises et complexes dont ils pourraient avoir besoin. La mise en forme de plaques minces est généralement utilisée pour les systèmes complexes de haut niveau, tels que les miroirs déformables ou les processus d'aplatissement de tranches lors de la fabrication de semi-conducteurs, mais cette innovation signifie que la production future sera plus précise, évolutive et bon marché. Yao et le reste de l'équipe imaginent que ces surfaces plus fines et plus facilement déformables peuvent être utiles dans des applications plus larges, comme les casques de réalité augmentée et les télescopes plus grands qui peuvent être envoyés dans l'espace à moindre coût. "L'utilisation de contraintes pour déformer des surfaces optiques ou semi-conductrices n'est pas nouvelle, mais en appliquant la technologie lithographique moderne, nous pouvons surmonter de nombreux défis des méthodes existantes", déclare Yao.

Les travaux de l'équipe s'appuient sur les recherches de Brandon Chalifoux, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université de l'Arizona. Chalifoux a travaillé avec l'équipe sur des articles antérieurs pour développer un formalisme mathématique permettant de relier les états de contrainte de surface aux déformations de plaques minces, dans le cadre de son doctorat en génie mécanique.

Dans cette nouvelle approche, Yao a développé un nouvel agencement de schémas de stress pour contrôler avec précision le stress général. Les substrats pour surfaces optiques sont d'abord recouverts sur la face arrière de fines couches de film à haute contrainte, constitués de matériaux comme le dioxyde de silicium. De nouveaux modèles de contraintes sont imprimés par lithographie dans le film afin que les chercheurs puissent modifier les propriétés du matériau dans des zones spécifiques. Le traitement sélectif du film de revêtement dans différentes zones contrôle l'endroit où la contrainte et la tension sont appliquées sur la surface. Et parce que la surface optique et le revêtement sont collés ensemble, la manipulation du matériau de revêtement remodèle également la surface optique en conséquence.

"Vous n'ajoutez pas de stress pour créer une forme, vous supprimez sélectivement le stress dans des directions spécifiques avec des structures géométriques soigneusement conçues, comme des points ou des lignes", explique Schattenburg, chercheur principal et directeur du Space Nanotechnology Laboratory. "C'est juste une certaine façon de soulager les contraintes d'une cible à un seul endroit dans le miroir qui peut ensuite plier le matériau."

Une idée de correction des miroirs spatiaux

Depuis 2017, l'équipe SNL travaille avec le Goddard Space Flight Center (GSFC) de la NASA pour développer un processus permettant de corriger la distorsion de forme des miroirs de télescope à rayons X causée par la contrainte de revêtement. La recherche est née d'un projet de construction de miroirs à rayons X pour le concept de mission de télescope à rayons X de nouvelle génération Lynx de la NASA, qui nécessite des dizaines de milliers de miroirs de haute précision. En raison de la tâche de focalisation des rayons X, les miroirs doivent être très fins pour recueillir efficacement les rayons X. Cependant, les miroirs perdent rapidement leur rigidité à mesure qu'ils sont amincis, se déformant facilement sous la contrainte de leurs revêtements réfléchissants - une couche d'iridium d'une épaisseur de nanomètres appliquée sur la face avant dans le but de réfléchir les rayons X.

"Mon équipe chez GSFC fabrique et enduit des miroirs minces à rayons X depuis 2001", déclare William Zhang, chef de groupe d'optique à rayons X chez GSFC. "Comme la qualité des miroirs à rayons X s'est continuellement améliorée au cours des dernières décennies suite aux progrès technologiques, la distorsion causée par les revêtements est devenue un problème de plus en plus grave." Yao et son équipe ont développé une méthode de structuration des contraintes lithographiques, combinant avec succès plusieurs techniques différentes, pour obtenir une excellente élimination de la distorsion lorsqu'elle est appliquée aux miroirs à rayons X fabriqués par le groupe.

Après ce premier succès, l'équipe a décidé d'étendre le processus à des applications plus générales, telles que la mise en forme libre de miroirs et de substrats minces, mais ils ont rencontré un obstacle majeur. "Malheureusement, le processus développé pour GSFC ne peut contrôler avec précision qu'un seul type de contrainte de surface, la contrainte dite" équibiaxiale "ou uniforme en rotation", explique Chalifoux. "Les états de contrainte équibiaxiale ne peuvent obtenir qu'une flexion locale en bol de la surface, qui ne peut pas corriger les déformations en forme de chips ou de selle. Pour obtenir un contrôle arbitraire de la flexion de surface, il faut contrôler les trois termes dans le soi-disant "tenseur de contrainte de surface"."

Pour obtenir un contrôle total du tenseur de contrainte, Yao et son équipe ont développé la technologie, inventant finalement ce qu'ils appellent des mésostructures de tenseur de contrainte (STM), qui sont des cellules quasi-périodiques disposées sur la surface arrière de substrats minces, composées de réseaux superposés sur revêtements sollicités. "En faisant pivoter l'orientation du réseau dans chaque cellule unitaire et en modifiant la fraction de surface des zones sélectionnées, les trois composants du champ du tenseur de contrainte peuvent être contrôlés simultanément avec un processus de structuration simple", explique Yao.

L'équipe a passé plus de deux ans à développer ce concept. "Nous avons rencontré une série de difficultés dans le processus", explique Schattenburg. "La mise en forme libre de plaquettes de silicium avec une précision nanométrique nécessite une synergie de métrologie, de mécanique et de fabrication. En combinant les décennies d'expérience du laboratoire en métrologie de surface et en microfabrication avec des outils de modélisation et d'optimisation de plaques minces développés par des étudiants diplômés, nous avons pu pour démontrer une méthode générale de contrôle de la forme du substrat qui ne se limite pas à la flexion de la surface en forme de cuvette."

Une technique prometteuse pour de nombreuses applications

Cette approche a permis à l'équipe d'imaginer de nouvelles applications au-delà de la tâche initiale de correction des miroirs à rayons X déformés par le revêtement. "Lors de la formation de plaques minces à l'aide de méthodes traditionnelles, il est difficile d'être précis car la plupart des méthodes génèrent des contraintes parasites ou résiduelles qui entraînent une distorsion secondaire et un retour élastique après le traitement", explique Jian Cao, professeur de génie mécanique à la Northwestern University. , qui n'a pas participé aux travaux. "Mais la méthode de flexion des contraintes STM est assez stable, ce qui est particulièrement utile pour les applications liées à l'optique."

Yao et ses collègues s'attendent également à contrôler dynamiquement les tenseurs de stress à l'avenir. "L'actionnement piézoélectrique des miroirs minces, qui est utilisé dans la technologie de l'optique adaptative, est en cours de développement depuis de nombreuses années, mais la plupart des méthodes ne peuvent contrôler qu'un seul composant de la contrainte", explique Yao. "Si nous pouvions modeler des STM sur des plaques minces actionnées par piézo, nous pourrions étendre ces techniques au-delà de l'optique à des applications intéressantes telles que l'actionnement sur la microélectronique et la robotique douce." + Explorer plus loin

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Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.