Atermalización

La atermalización , en el campo de la óptica , es el proceso de lograr la estabilidad optotérmica en los sistemas optomecánicos. Esto se logra minimizando las variaciones en el rendimiento óptico en un rango de temperaturas . ^{[1] [2]}

Los sistemas optomecánicos suelen estar hechos de varios materiales con diferentes propiedades térmicas. Estos materiales componen la óptica ( elementos refractivos o reflectantes ) y la mecánica ( soportes ópticos y carcasa del sistema ). A medida que cambia la temperatura de estos materiales, el volumen y el índice de refracción también cambiarán, aumentando la tensión y el contenido de aberraciones (principalmente desenfoque ). ^[3] La compensación de las variaciones ópticas en un rango de temperatura se conoce como atermalización de un sistema en ingeniería óptica .

La expansión térmica es el fenómeno impulsor de los cambios de propiedad extensivos e intensivos en un sistema optomecánico.

Grandes cambios de propiedades, como el volumen, alteran la forma de los componentes ópticos y mecánicos. Los sistemas están optimizados geométricamente para el rendimiento óptico y son sensibles a los componentes que cambian de forma y orientación. Si bien el volumen es un parámetro tridimensional, los cambios térmicos se pueden modelar en una sola dimensión con expansión lineal, suponiendo un rango de temperatura adecuadamente pequeño. Por ejemplo, el fabricante de vidrio Schott proporciona el coeficiente de expansión térmica lineal para un rango de temperatura de -30 C a 70 C. El cambio de longitud de un material es una función del cambio de temperatura con respecto a la temperatura de medición estándar, . Esta temperatura suele ser la temperatura ambiente.${\ estilo de texto T_ {0}}$o 22 grados centígrados .

Donde es la longitud de un material a la temperatura , es la longitud del material a la temperatura , es el cambio de temperatura y es el coeficiente de expansión térmica. Estas ecuaciones describen cómo cambian el diámetro , el espesor, el radio de curvatura y la separación entre elementos en función de la temperatura.${\textstyle L_{\left(T\right)}}$${\ estilo de texto T}$${\ estilo de texto L_ {0}}$${\ estilo de texto T_ {0}}$${\ estilo de texto \ Delta T}$${\ estilo de texto \ alfa}$

El cambio de propiedad intensivo dominante, en términos de rendimiento óptico, es el índice de refracción. El índice de refracción del vidrio es una función de la longitud de onda y la temperatura. ^[4] Hay varias fórmulas que se pueden usar para definir la dependencia de la longitud de onda, o dispersión , de un vidrio. Siguiendo la notación de Schott, la ecuación empírica de Sellmeier se muestra a continuación. ^[5]

Traza de rayos geométricos (transmisión y refracción) de un singlete Schott N-BK7 positivo (elemento de lente de tipo vidrio único) a 22 C. Los rayos rojos provienen del ángulo de campo Y de 0 grados y los rayos azules provienen del ángulo de campo Y de 2 grados .

Imagen generada en MATLAB mediante trazado de rayos geométricos 1E6 rayos a través de un singlete N-BK7 positivo en un ángulo de campo Y de 2 grados. El singlete está en una carcasa de aluminio 6061 con un ciclo de -30 C a 70 C. El cambio en el tamaño y la posición del punto se debe a variaciones en las propiedades extensivas e intensivas en función de la temperatura.

Dispersión de N-BK7 sobre el espectro visible utilizando coeficientes de las hojas de datos de vidrio óptico de Schott . ^{[4] [5]}

Coeficientes de temperatura del índice de refracción absoluto de N-BK7 para el espectro d, F, C. ^[6]

Comparación del rendimiento óptico sobre la temperatura con diferentes materiales de carcasa mecánica para un singlete N-BK7 positivo diseñado a 22 C. ^[10] "Sin expansión térmica" todavía incluye efectos de dn/dT. ^[6]