SCHOTT solutions n° 1/2016 > Filtros ópticos

Optische Filter
Foto: Cefca

70 filtros para obtener un mapa en 3D del universo


Los telescopios de Javalambre, en la provincia de Teruel, harán posible por vez primera seguir las posiciones de cientos de millones de galaxias y cómo evolucionan. SCHOTT ha suministrado varios juegos de filtros de paso de banda con bordes abruptos y de banda estrecha que permitirán analizar los rangos de longitud de onda estrechos de la luz estelar.


Bernhard Gerl

A los dos nuevos telescopios en la cima del Pico del Buitre, de 1.956 m de altura, en la Sierra de Javalambre, sólo se puede acceder por una pista polvorienta. Este observatorio de alta tecnología contribuye al desarrollo económico de la zona, pero para los investigadores del CEFCA (Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón) representa un hito científico, que quizá conduzca a avances decisivos en la búsqueda de la energía oscura, la misteriosa materia que sostiene casi el 70 % de la masa del universo y de cuyas propiedades prácticamente no sabemos nada. Los cosmólogos sospechan que hoy en día todavía se pueden apreciar en la distribución de las galaxias en el Universo las minúsculas variaciones de la energía oscura que se dieron poco después del Big Bang. Sin embargo, todavía no se ha realizado una cartografía en 3D precisa de todas las galaxias. Se espera que los telescopios de Javalambre y el proyecto J-PAS (Javalambre Physics of the Accelerating Universe Astrophysical Survey) ayudarán a la consecución de este objetivo.

”El innovador diseño de la cámara y del sistema de filtros J-PAS permitirá determinar por vez primera las posiciones en el cielo de cientos de millones de galaxias, lo cual nos proporcionará el primer mapa 3D completo del Universo”, explica el Dr. Antonio Marín-Franch, investigador del centro y responsable del Instrumentation Projects Group del CEFCA. La distancia a la que realmente se encuentran los objetos astronómicos se puede determinar midiendo el desplazamiento del rojo de la luz que emiten. SCHOTT ha desarrollado junto con los científicos del CEFCA juegos de filtros específicos para los telescopios de Javalambre, que hacen posible esta medición y que son capaces de muchas cosas más.
Optische Filter
El acabado y el control de calidad de los filtros de vidrio (arriba) se realizaron en el Centro de competencia para Componentes y recubrimientos ópticos de alta precisión de SCHOTT en la ciudad suiza de Yverdon. Estos componentes se utilizan en una rueda de filtros (abajo). Esto permite recopilar muchos parámetros importantes sobre la formación de las galaxias. Foto arriba: SCHOTT/A. Sell, Foto abajo: SCHOTT/Cefca
”Con este sistema de filtros podremos medir muchos parámetros importantes en la formación de las galaxias, como las temperaturas de las estrellas, su masa, la distribución de sus edades y su contenido de metales”, explica el Dr. Antonio Marín-Franch. Se han fabricado 12 filtros astronómicos distintos para el más pequeño de los dos telescopios, el JAST/T80, que incorpora una base de espejo de vitrocerámica ZERODUR® de 80 cm de diámetro. El telescopio más grande, el JAST/T250, lleva una base de espejo de vitrocerámica ZERODUR® de 250 cm de diámetro. Para este telescopio los expertos desarrollaron hasta 70 filtros astronómicos distintos. De cada uno de estos diseños se han fabricado sólo 2 filtros, que han destacado por sus excelentes propiedades ópticas y mecánicas.

Metrología adicional desarrollada para filtros ópticos


Lo especial de estos filtros de banda estrecha con borde abrupto es que permiten el paso de la luz incidente, pero sólo dentro de un intervalo de longitudes de onda de 10 a 20 nm, con una variación de la transmitancia de sólo el 0,06 %, y bloquean todas las frecuencias superiores e inferiores del espectro cercano al IR hasta UV (T <10–5). Esto se ha conseguido utilizando una combinación de filtro de vidrio de color, para bloquear todas las longitudes de onda por encima de un cierto umbral, con un filtro de interferencia.

SCHOTT lleva fabricando filtros de interferencia desde los años 1940, principalmente en su fábrica de Yverdon (Suiza), donde se dispone del know how y de una amplia variedad de equipos, por ejemplo para la pulverización catódica con magnetrón o con haces de iones. Aunque el laborioso cálculo de las secuencias de capas se realiza por ordenador, para determinar cuál de ellas es técnicamente viable para la fabricación se necesita a un experto.

SCHOTT incluso tuvo que desarrollar su propia metrología para poder garantizar y verificar las muy exigentes especificaciones definidas por los científicos del CEFCA. La aberración del frente de onda a lo largo de toda la superficie del filtro, de 106 x 106 mm, por ejemplo, no debía superar λ/2 (se consiguió incluso obtener mejor que λ/4). Para verificarlo se desarrolló para SCHOTT un sensor de frente de onda Shack-Hartmann especial de banda ancha, porque los sensores de frente de onda estándar miden a 633 nm, es decir, allí donde los filtros astronómicos bloquean la luz.
JAST/T80-Teleskop
En el Telescopio JAST/T80 se emplean 12 filtros ópticos de vidrio distintos (arriba). En el JAST/T250, de mayor tamaño, incluso se utilizan 70 filtros de banda estrecha de bordes abruptos distintos. Dadas las especificaciones tan exigentes, SCHOTT desarrolló una metrología específica para este proyecto astronómico. Foto: Cefca
Como los filtros de 8 mm de espesor están situados directamente en la trayectoria de los rayos en el telescopio, afectan también a sus propiedades de formación de imagen. Por esta razón, los investigadores del CEFCA necesitaban conocer el índice de refracción de los filtros de vidrio. ”Sin embargo, nuestros filtros eran normalmente opacos a las longitudes de onda a las que habitualmente se mide el índice de refracción del vidrio”, explica el Dr.-Ing. Ralf Biertümpfel, Product Manager en SCHOTT Advanced Optics. ”Esta es la razón por la que necesitábamos un dispositivo de medición que nos permitiera determinar las propiedades reflectantes del vidrio.” SCHOTT desarrolló también este aparato de medida.

Gracias a este proyecto, la empresa ha adquirido una ventaja tecnológica en combinación de materiales, caracterización de los mismos, fabricación, know how en recubrimiento y tecnología de medición que abrirá nuevos mercados. Los filtros de banda estrecha se pueden utilizar también para otros fines aparte de los telescopios astronómicos. Los elementos que permiten apilar múltiples filtros de paso de banda sobre un mismo substrato se utilizan en los satélites para observar la Tierra dentro de intervalos espectrales estrechos. Gracias a la experiencia acumulada, estos filtros se pueden emplear también en espectroscopia y se pueden desarrollar y fabricar ahora muy rápidamente a medida para nuestros clientes. <
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