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IFU - EUCALYPTUS |
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Índice
RESUMO Entre os instrumentos propostos para operarem junto ao telescópio SOAR (Southern Observatory for Astrophysical Reasearch) encontra-se o espectrógrafo óptico de bancada alimentado por uma Unidade de Campo Integral, comumente designada pela sigla inglesa IFU. Uma IFU consiste basicamente em um ducto de fibras ópticas com uma terminação em forma de fenda e a outra terminação em um sistema de microlentes coletoras. O cabo de fibras ópticas assim construído, serve para coletar luz focalizada pelo telescópio e conduzi-la até o espectrógrafo de bancada. Neste trabalho descrevemos a construção de uma IFU, a qual será utilizada no telescópio de 1,6 m do Observatório do Pico dos Dias, o qual é gerenciado pelo MCT/ Laboratório Nacional de Astrofísica. Dentro desse objetivo consideramos o desenvolvimento e a aquisição de tecnologia para a construção de uma IFU com maior número de fibras, a qual virá a ser utilizada no telescópio SOAR, de 4,2 metros. A designação Eucalyptus foi efetuada em menção ao fato de que a árvore de eucalipto foi trazida originalmente da Australia tal como esse projeto foi originalmente desenvolvida na Australia. 1 INTRODUÇÃO O projeto SOAR (Southern
Observatory for Astrophysical Research) é um projeto de construção e operação de um
telescópio de 4 metros a ser instalado em Cerro Pachon, ao lado do Gemini Sul, nos Andes
Chilenos. Trata-se de uma colaboração entre instituições brasileiras e americanas, na
qual o Brasil participará com um terço dos recursos e utilizará um terço do tempo do
telescópio. Um dos instrumentos propostos para operarem no telescópio SOAR é o
espectrógrafo óptico de bancada alimentado por uma Unidade de Campo Integral comumente
designada pela sigla inglesa IFU. 2 FIBRAS ÓPTICAS A fibra óptica escolhida foi a Blue fibre Polymicro 50/60/75/200, cuja curva característica de transmissão pode ser vista na figura 1 [04, 05]. Nosso protótipo foi construído com 512 segmentos de aproximadamente 12 metros de comprimento dessa fibra. Outro fator característico da fibra óptica é sua degradação focal a qual é expressa pela quantidade de energia que se perde na saída de uma fibra óptica em função da relação entre o F/# de saída utilizado e a quantidade de luz total que sai da fibra, para um dado F/# de entrada [06]. As medidas de degradação focal efetuadas com a fibra escolhida para nossa IFU, para uma razão focal de entrada de F/5, resultaram na curva mostrada na figura 2. A análise do gráfico da figura 2 mostra que, para se conseguir toda a energia que sai da fibra óptica seria necessário trabalhar com aproximadamente F/3 na saída da fibra. Todavia, por otimização do projeto óptico, temos de trabalhar com razões focais em torno de F/5, o que dá um aproveitamento médio de pouco mais de 50%. Essa variação ocorre devido a degradação focal da fibra óptica. A degradação focal existe devido a dois fatores, o primeiro fator é intrínseco da fibra e o segundo é definido pelo manuseio e trabalho efetuado com a fibra em questão. Dessa forma é de extrema importância, determinados cuidados no manuseio das fibras ópticas para não incrementar a degradação focal natural da fibra.
A extremidade do cabo de fibras ópticas, responsável pela captação de luz previamente concentrada pelo telescópio, tem como principal elemento óptico um arranjo de microlentes de sílica. Este arranjo é montado de tal forma que cada microlente tenha seu eixo óptico principal coincidente ao eixo óptico principal de cada fibra óptica do conjunto. A figura 3 mostra o arranjo de microlentes utilizado em nossa IFU. Ele é produzido pela LIMO, Lissotschenko MiKrooptik, empresa alemã especializada na fabricação de componentes ópticos de alta precisão.[07] Esse arranjo de microlentes determina o arranjo de entrada dos segmentos de fibras ópticas que compõem o ducto óptico da IFU. As microlentes formam uma matriz de 32 por 16 unidades. Dessa forma estabelecemos a utilização de 512 segmentos de fibras com a extremidade de entrada perfazendo um arranjo matricial semelhante ao arranjo das microlentes. O arranjo de microlentes em questão é composto pela superposição de dois sistemas de lentes cilíndricas conforme mostra os diagramas das figuras 4 e 5. A dimensão total é de 36mm por 20mm com 4,01mm de espessura. Um espaço gap de ar entre uma placa de lentes cilíndricas e outra é mantido para definir as características ópticas do sistema. A placa de microlentes é fabricada com sílica fundida e possui características de transmissão espectral bastante adequada ao uso proposto. Sua transmitância entre 300 e 1100 nm é de praticamente 100%, sem picos de absorção com ambos os lados são cobertos com filme anti-reflexo dentro da faixa otimizada.
3.1 - Suporte de entrada da IFU O suporte de entrada da IFU
consiste basicamente de componentes mecânicos que permitem a fixação das extremidades
de entrada das fibras ópticas. Essa fixação é definida por uma adequada acoplagem
óptica com o sistema de microlentes. A figura 6, mostra o diagrama do suporte de
fixação das fibras ópticas. O procedimento de montagem, no suporte, leva em conta que
as extremidades de cada fibra são primeiramente encapsuladas em jaquetas de aço inox.
Observando a figura, vemos que o suporte se constitui por duas placas de metal com
arranjos de micro furos onde as jaquetas são inseridas e posteriormente coladas. Ambas as
placas conferem um arranjo de micro furos geometricamente similar ao arranjo de
microlentes. A placa superior na figura 6 funciona como elemento de guiagem necessário
para manter todas as jaquetas perpendiculares com relação a placa inferior e são
confeccionados de tal maneira a permitir algum jogo nas jaquetas. Isso é importante para
permitir um certo ajuste de perpendicularidade entre as jaquetas e as placas. Por outro
lado, conforme se pode ver na figura7, os furos da placa inferior são feitos em dois
diâmetros, um diâmetro maior que permite a passagem da jaqueta e um diâmetro menor que
permite apenas a passagem da fibra. Após montadas as 512 fibras, todo o conjunto é
imerso em epoxy líquido tipo EPOTEK 301 adhesive. Nesse procedimento, o adesivo flui pelo
espaço intersticial, entre a parede interna da jaqueta e a superfície da fibra óptica,
por efeito de capilaridade. Uma jaqueta de polímero flexível também é inserida entre a
jaqueta de aço e a fibra. Isso permite reduzir um possível stress entre a borda da
jaqueta de aço e a fibra óptica. Esse tipo de epoxy foi escolhido por três razões
fundamentais: sua alta fluidez, baixo efeito de constrição durante o endurecimento e boa
qualidade de polimento após a curagem. O baixo efeito de constrição é de fundamental
importância para evitar o incremento da degradação focal pela de stress mecânico na
extremidade na extremidade da fibra, após a secagem do epoxy.
3.2 Alinhamento das microlentes Dadas as características do telescópio mais as características ópticas das microlentes é possível calcular o diâmetro da imagem final que pode ser projetado em cada fibra óptica. O telescópio de 1,6 m do LNA, apresenta uma razão focal final de F/10 . Podemos então utilizar a seguinte expressão, [08] f = a . D . F (01) onde f representa o diâmetro da imagem projetada por uma microlente, a o valor de seeing considerado, D o diâmetro do espelho primário e F a razão focal da microlente. Considerando pois D = 1600 mm, F = 5.5 e a = 4,5 10-6 rad, deveremos ter f aproximadamente de 39,6 microns. Isto significa que em princípio poderíamos usar fibras ópticas com até 40 microns de diâmetro de core. Contudo fizemos a opção de trabalhar com fibras da ordem de 50 microns de core para uma projeção de imagem de até 39,6 microns de diâmetro. Mesmo iluminando apenas uma área parcial do core, a saída da fibra exibe todo o disco de core iluminado conforme o esquema da figura 9. Em outras palavras, devido a impossibilidade de se obter uma centragem perfeita para todas as fibras, trabalhamos com o diâmetro do core da fibra um pouco maior que o tamanho da imagem projetada. Isso permite estabelecer uma melhor estatística de acerto, considerando um valor médio de erro tolerável na confecção das placas de micro furos.
O objetivo da óptica de entrada é basicamente fornecer a adequada magnitude de imagem proveniente do telescópio para as microlentes da IFU. Todavia além de definir a magnificação desejada, a óptica de entrada também garante um feixe telecêntrico sobre as microlentes visando neutralizar os efeitos de aberração devido a curvatura de campo óptico. A mudança de magnitude leva em conta que se deseja projetar uma imagem de certo diâmetro, correspondente a um certo valor de seeing , sobre cada área de core de cada fibra óptica do conjunto. Assim sendo, se temos fibras com 50 mm de diâmetro de core e queremos projetar uma imagem de 40 mm de diâmetro sobre esse core, devemos calcular qual o valor de seeing que será considerado. Em outras palavras, não utilizamos o valor de seeing máximo que o conjunto, telescópio mais sítio, poderia oferecer e sim um valor abaixo disso o qual chamamos de sample. Para se obter uma imagem com cerca de 40 mm, o valor de sample calculado foi de 0,93. O projeto óptico desse sistema deve levar em consideração a dimensão do arranjo de microlentes da IFU, a qual representará seu campo total de visão. O arranjo de microlentes utilizado na IFU é de 32 x 16 microlentes. Dessa forma levando em conta que cada microlente enquadra 0,93 de sample, o campo de visão total foi definido por :
32 x 0,93 => 29,696 Dada a escala de placa do telescópio de 12,89 mm-1 no plano focal vale que:
29,696/ 12,89 mm-1 => 2,3 mm Portanto no plano focal do
telescópio teremos um campo retangular como na figura 10.
A extremidade de saída de nossa IFU é composta por uma seqüência de pequenos blocos de latão onde as fibras são alinhadas em grupos de 32, num total de 16 blocos. Cada um desses blocos é designado por slit block, e a seqüência de 16 slit blocks perfazem a fenda completa ou Slit, cuja função é fornecer luz para o espectrógrafo. Para garantir uma fenda estreita, adequada a uma boa resolução do espectrógrafo, é conveniente remover o buffer externo das fibras na extremidade de saída da IFU. Esse buffer, figura 12, é composto de um material acrílico e pode ser removido com sucesso se a fibra for imersa em acetona por cerca de 15 minutos. Após esse tempo de imersão se pode remover o buffer com uma leve pressão dos dedos. As fibras ópticas utilizadas no nosso protótipo possuem 50 microns de core, 60 microns de cladding, 75 microns de buffer interno e 200 microns de buffer externo. Dessa forma após a remoção da camada de acrílico, efetivamente nossa fibra passa a ter apenas 75 microns de diâmetro. Com 512 fibras devemos esperar uma fenda de cerca de 38 mm de comprimento. Cada bloco de fibras é submetido a um pré polimento. Após esse pré polimento, os blocos são colados lado a lado e então toda a slit é submetida a novo polimento A opção por 16 blocos de 32 fibras cada, foi eqüivalente a linearizar a matriz do arranjo de microlentes de 16/32. Isso facilita também, a redução de dados durante a análise espectroscópica. Cada bloco foi montado num suporte de fixação que permite alinhar as fibras com a ajuda de um microscópio e preencher com epoxy um espaço acima do bloco de metal garantindo sua fixação. Na figura 13, podemos ver uma microfotografia de um bloco com a seqüência de fibras pré polidas.
5 CONDUTOS DE FIBRAS ÓPTICAS Nossa IFU foi construída com 512 segmentos de fibras ópticas previamente inseridas em tubos de proteção e condutos flexíveis. Dois tipos de tubos são utilizados para compor o conduto de fibras. O primeiro é um tubo plástico flexível, fino e de dupla constituição, uma interna de polímero PTF e outra externa de plástico com separação intercapilar de micro-fios de seda. Esse tipo de tubo encerra 32 segmentos de fibras ópticas de aproximadamente 12 metros de comprimento. O segundo tubo é um conduíte de plástico flexível com colunas anulares de aço e serve para conter e proteger os tubos plásticos. Nesse esquema, foram montados 16 tubos do primeiro tipo com 32 fibras cada, e todos eles foram inseridos no conduíte de proteção conforme se pode ver na figura 14. Uma vez que o telescópio se movimenta, o conduíte se estende ou se curva conforme o tipo de movimento. Portanto é de se esperar que as fibras tenham algum tipo de folga para se ajustarem dentro dos tubos plásticos. Para isso construímos uma caixa de passagem próxima da extremidade de saída da IFU. Dentro da caixa de passagem é feito um círculo com os conjuntos de fibras ópticas de modo que o alongamento ou encurvamento do conduíte permite que as fibras se ajustem pela diminuição ou aumento do raio do círculo. Cada grupo de fibras forma seu próprio círculo e é separado dos demais por placas de acrílico conforme mostra a fotografia da figura 14 .
Para avaliar o erro de
posicionamento das fibras ópticas após a completa montagem do arranjo foi feita uma
avaliação fotográfica por computador. A imagem do arranjo foi capturada por um CCD
através de um sistema óptico de magnificação adequado e em seguida digitalizada para
análise em computador. Selecionamos então 4 conjuntos de 3x3 fibras do arranjo e
avaliamos o posicionamento das fibras desses conjuntos. A avaliação foi feita sobrepondo
a imagem dos conjuntos de fibras retroiluminados em uma grade de calibração no
computador, graduada em pixels por milímetros. Utilizando uma combinação de softwares
de análise de imagens astronômicas, construímos um gráfico mostrando a distribuição
de erro para os três conjuntos em questão. De acordo com o gráfico da figura 15, a
distribuição radial residual de erro mostra que a maior quantidade de erro encontra-se
na faixa de 7,5 microns. Para esse valor de desvio, ao se projetar uma imagem de 40
microns num core de diâmetro de 50 microns não haverá perda de luz na entrada da fibra.
Olhando o gráfico da direita em barras, vemos que com essa margem de segurança,
mais de 60 % das fibras estarão com seu core totalmente iluminado. Os outros 40 %
entretanto, poderão perder alguma luz conforme a exata discrepância da pupila projetada
sobre o core. A pior situação mostrada no gráfico da figura 15 é um desvio de 20
microns para apenas 3% das fibras. Para esse desvio, os cálculos feitos com auxílio do
software de desenho óptico ZEMAX mostram que somente 40% de luz entra nessas
fibras.
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