Diseños de Filtros Ópticos en la Astronomía

Fecha: 30 de Septiembre de 2021

Los filtros ópticos son dispositivos que consisten en una estructura que alterna recubrimientos ópticos con espesores precisos ( regularmente del orden de la longitud de onda de la perturbación con la que interacciona) sobre un substrato que puede ser vidrio, metal, semiconductor, plástico, etc. A medida que la luz atraviesa el filtro óptico, su dirección cambia conforme pasa de una capa a la siguiente, lo que genera interferencias internas. Esto se debe a las diferencias entre los índices de refracción de los materiales que se emplean, sus espesores, el orden de las capas y el número total de ellas en la estructura. La configuración de las capas da como resultado un filtro óptico que manipula diferentes longitudes de onda de luz de diferentes formas. Dependiendo de la longitud de onda y el tipo de filtro óptico, la luz puede reflejarse en el filtro, transmitirse a través de él o ser absorbida por él, para uno o más ángulos de incidencia y para diferentes polarizaciones de luz. En la figura 1 podemos observar una representación gráfica de un filtro que solo transmite a partir de los 550 nm aproximadamente y rechaza las longitudes de onda más cortas.

Figura 1. Filtro pasa alta

El principal objetivo del Laboratorio de Películas Delgadas del Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (CIO) es el diseño y fabricación de recubrimientos de películas delgadas de precisión y filtros ópticos para diversos usos y aplicaciones científicas. Varias de las colaboraciones más importantes han sido en proyectos astronómicos, por ejemplo, el recubrimiento de las componentes ópticas del instrumento MEGARA (Multi-Espectrógrafo en GTC de Alta Resolución para Astronomía) para el Gran Telescopio de Canarias de 10.4 m. Otra de las colaboraciones importantes, fue el recubrimiento de dos divisores de haz para el Telescopio Solar de Canarias, el cual será el mayor telescopio europeo. Recientemente, el último proyecto en el que se trabajó fue el recubrimiento óptico de 6 prismas para el instrumento SCORPIO (Spectrograph and Camera for the Observation of Rapid Phenomena in the Infrared and Optical) para el telescopio de 8.1 m del Observatorio Gemini Sur ubicado en Chile.

Figura 2. Divisores de haz para el Telescopio Solar de Canarias

Los filtros, divisores de haz y espejos de gran formato deben satisfacer especificaciones exigentes para funcionar correctamente, en donde la calidad y uniformidad de la película delgada son fundamentales para el rendimiento óptico en longitudes de onda exactas. Para ellos se utilizan materiales especializados, sin embargo, el reto es encontrar los materiales adecuados y los procesos de fabricación para obtener las propiedades deseadas, las cuales dependen en gran medida del tipo de proceso de depósito y sus parámetros (temperatura de depósito, velocidad de depósito, presión del gas, geometría del sustrato, preparación del material de recubrimiento, tratamiento posterior al depósito, etc.). Por otro lado, la complejidad del diseño dependerá de la aplicación y del nivel de precisión que se requiera, para algunas aplicaciones pueden ser más de 100 capas, por ejemplo, filtros de infrarrojos o filtros pasa bandas de alta transmisión, pendientes más pronunciadas, mayor rango de bloqueo y mayor durabilidad.

Figura3. Recubrimiento de aluminio realizado en el laboratorio de películas delgadas para los espejos de un horno solar del Instituto de Energías Renovables UNAM



Figura4. Vista dentro de la cámara de vacío en un proceso de depósito de materiales para la fabricación de un filtro óptico

Actualmente, el laboratorio de películas delgadas continúa en desarrollo teniendo como principal objetivo seguir colaborando en proyectos de talla internacional, innovando continuamente para satisfacer las necesidades de la industria, la astronomía y de la ciencia en general.