Innovativ teknik för högeffektiva diffraktionsgitter för astronomisk spektroskopi

Astronomer siktar idag på att observera de svagaste och längsta bort objekten. De nyaste faciliteterna för att göra detta är Extremely Large Telescopes (ELTs), som har öppningar inom flera dussin meters räckvidd. Men att öka storleken på teleskop är bara en aspekt av problemet.

Visuell demonstration av prestanda för diffraktionsgittret. Nollte ordningens transmission hänvisar till ljus som går rakt genom gittret utan att genomgå diffraktion (vilket bör minimeras), medan första ordningens transmission hänvisar till den första diffraktionstoppen för varje ljusfrekvens. (b) Diffraktionseffektivitet för gittren för första ordningens transmission (orange) och nollte ordningens transmission (cyan). Värt att notera, första ordningens diffraktionseffektivitet för gittret var över 70 % för ett brett våglängdsområde som spänner över mer än 200 nm. Bildkredit: Författarna.

Förmågan att detektera de insamlade fotonerna så effektivt som möjligt utgör den andra komponenten. Att göra alla andra optiska delar av astronomiska instrument mer effektiva är avgörande vid denna tidpunkt. Ett diffraktionsgitter är ett nyckelverktyg inom modern astronomisk vetenskap.

I likhet med hur ett glasprisma gör, är dess funktion att sprida inkommande ljus i dess frekvenser. Diffraktionsgitter kan separera ljus av olika våglängder med den extremt höga upplösningen på grund av en noggrant designad struktur som drar fördel av det faktum att fotoner beter sig som vågor.

Gitter gör det möjligt för forskare att undersöka de spektrala egenskaperna hos himlakroppar när de används i samband med ett teleskop och spektrometer.

Menelaos K. Poutous från University of North Carolina i Charlotte och Hanshin Lee från University of Texas i Austin fokuserade på en helt annan metod för att tillverka diffraktionsgitter som ett resultat av de något stillastående framstegen inom gittertekniken under de senaste tio åren.

Reactive ion-plasma etsing (RIPLE), en plasmabaserad tillverkningsteknik som vanligtvis används för halvledare, var framgångsrik i att producera proof-of-concept högeffektiva diffraktionsgitter, vilket rapporterades i deras artikel som nyligen publicerades i Journal of Astronomical Telescopes, Instruments and Systems.

Enkelt uttryckt innebär RIPLE-metoden som tillämpas i denna studie att “rita” det önskade gittermönstret på ett krommaskeringsskikt ovanpå ett kvartssubstrat med hjälp av en elektronstråle med hög precision.

Kemiskt reaktiv plasma används sedan för att skära gallermönstret direkt på kvartssubstratet; Krommasken fungerar som en sköld och plasman skadar bara de utsatta områdena.

Processens olika parametrar finjusterades av forskarna med hjälp av simuleringar, teoretiska beräkningar och experimentell trial and error. Som ett resultat kunde de skapa första ordningens diffraktionsgitter med extremt exakta strukturer i nanoskala.

Detta resulterade i en opolariserad diffraktionseffektivitet som var nästan teoretisk, som nådde en topp på 94,3 % och förblev över 70 % över ett våglängdsområde längre än 200 nm.

Denna typ av prestanda har endast sällan uppnåtts i diffraktionsgitter som används för astronomi, där varje bit av effektivitetsvinst verkligen har betydelse på grund av fotonsvält.

Hanshin Lee, forskare, College of Natural Sciences, University of Texas i Austin

Det faktum att gitterstrukturen är integrerad direkt i glassubstratet, vilket innebär att de delar samma materialegenskaper, är en annan fördel med att skapa diffraktionsgitter med RIPLE-processen.

Våra galler kan vara mycket robusta optiskt, termiskt och mekaniskt, vilket gör dem idealiska för tuffa miljöer, som de som finns i rymdobservatorier och kryogena system. Detta möjliggör deras tillämpning i ett brett spektrum av vetenskapliga och tekniska spektroskopiska mätningar.

Menelaos K. Poutous, docent, tvärvetenskaplig optik, Institutionen för fysik och optisk vetenskap, University of North Carolina i Charlotte

Sammantaget visar studiens resultat hur RIPLE-processen har potential att helt förändra hur diffraktionsgitter görs. I den kommande eran av markbaserade ELT med öppningar över 30 m, är forskarna optimistiska om användningen av sådana högeffektiva galler.

Förhoppningsvis kommer dessa galler att hjälpa astronomer att observera otroligt svaga föremål långt borta i rymden under de kommande åren.

Journalreferens:

Lee, H., et al. (2022) Etsade ytreliefgitter med reaktiv jonplasma för låg/medel/högupplösningsspektroskopi inom astronomi. Journal of Astronomical Telescopes, Instruments and Systems. doi:10.1117/1.JATIS.8.4.045002.

Källa: https://spie.org/?SSO=1

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *