Новый способ изготовления высоких

Aug 16, 2023

Сегодня астрономы стремятся наблюдать самые слабые и отдаленные объекты. Чрезвычайно Большие Телескопы (ELT) с апертурой порядка нескольких десятков метров являются объектами следующего поколения, способными сделать это.

Однако строительство более крупных телескопов — это только одна часть уравнения. Другая часть — это способность обнаруживать собранные фотоны наиболее эффективным способом. Именно здесь решающее значение приобретает повышение эффективности всех остальных оптических компонентов астрономических инструментов. Одним из важнейших компонентов, используемых в современной астрономической науке, является дифракционная решетка. Его роль заключается в пространственном распределении входящего света на составляющие его частоты, подобно тому, как это делает стеклянная призма. Благодаря точно спроектированной структуре, которая использует волновую природу фотонов, дифракционные решетки могут разделять свет разных длин волн с очень высоким разрешением. В сочетании с телескопом и спектрометром решетки позволяют ученым анализировать спектральные свойства небесных тел.

Вдохновленные несколько застойным прогрессом, достигнутым в технологии решеток за последнее десятилетие, исследователи Ханшин Ли из Техасского университета в Остине и Менелаос К. Путус из Университета Северной Каролины в Шарлотте, США, сосредоточились на совершенно другом способе изготовления дифракционных решеток. решетки. В своей статье, недавно опубликованной в Журнале астрономических телескопов, инструментов и систем, они сообщают об успехе в производстве высокоэффективных дифракционных решеток, подтверждающих концепцию, с использованием реактивного ионно-плазменного травления (RIPLE), технологии производства на основе плазмы, обычно используется для полупроводников.

Проще говоря, процесс RIPLE, используемый в этом исследовании, включает в себя «рисование» (с использованием высокоточного электронного луча) желаемого рисунка решетки на хромовом маскирующем слое, расположенном поверх кварцевой подложки. Затем рисунок решетки вырезается непосредственно на кварцевой подложке с использованием химически реактивной плазмы; хромированная маска действует как щит, и плазма разъедает только открытые участки.

После точной настройки различных параметров процесса посредством теоретических расчетов, моделирования и экспериментальных проб и ошибок исследователям удалось создать дифракционные решетки первого порядка с очень точными наноструктурами. Это привело к почти теоретической эффективности неполяризованной дифракции, достигающей 94,3% на пике и остающейся более 70% в диапазоне длин волн более 200 нм. «Такие характеристики лишь изредка достигаются в дифракционных решетках, используемых в астрономии, где каждый кусочек повышения эффективности действительно имеет значение из-за фотонного голодания», — сказал Ли.

Еще одним преимуществом использования процесса RIPLE для производства дифракционных решеток является то, что структура решетки встроена непосредственно в стеклянную подложку, а это означает, что они имеют одинаковые характеристики материала. «Наши решетки могут быть очень прочными оптически, термически и механически, что делает их идеальными для суровых условий, таких как те, которые встречаются в космических обсерваториях и криогенных системах», — сказал Поутус, — «Это позволяет их применять в широком диапазоне научных и инженерные спектроскопические измерения».

В целом, результаты этого исследования демонстрируют потенциал процесса RIPLE совершить революцию в способе изготовления дифракционных решеток. Исследователи с оптимизмом смотрят на будущее использование таких высокоэффективных решеток в наступающую эпоху наземных ELT с апертурой более 30 метров. Если повезет, эти решетки помогут астрономам в ближайшие годы наблюдать чрезвычайно слабые объекты далеко в космосе.

Прочтите статью Ханшина и Паутуса в открытом доступе Gold «Реактивные ионно-плазменные рельефные решетки для спектроскопии низкого/среднего/высокого разрешения в астрономии», J. Astron. Телеск. Инструмент. Сист. 8(4) 045002 2022, дои 10.1117/1.JATIS.8.4.045002.

Соучредитель SpaceRef, член Клуба исследователей, бывший сотрудник НАСА, выездные команды, журналист, специалист по космосу и астробиологии, бывший альпинист.