Eine neue Art, High zu erzeugen

Aug 16, 2023

Heutzutage versuchen Astronomen, die lichtschwächsten und am weitesten entfernten Objekte zu beobachten. Extrem große Teleskope (Extremely Large Telescopes, ELTs) mit Öffnungen in der Größenordnung von mehreren Dutzend Metern sind die Einrichtungen der nächsten Generation, die dies leisten können.

Der Bau größerer Teleskope ist jedoch nur ein Teil der Gleichung. Der andere Teil ist die Fähigkeit, die gesammelten Photonen so effizient wie möglich zu erfassen. Hier kommt es darauf an, alle anderen optischen Komponenten in astronomischen Instrumenten effizienter zu machen. Ein wesentlicher Bestandteil der modernen astronomischen Wissenschaft ist das Beugungsgitter. Seine Aufgabe besteht darin, einfallendes Licht räumlich in seine einzelnen Frequenzen aufzuteilen, ähnlich wie dies bei einem Glasprisma der Fall ist. Dank einer präzise konstruierten Struktur, die die wellenartige Natur von Photonen nutzt, können Beugungsgitter Licht unterschiedlicher Wellenlängen mit sehr hoher Auflösung trennen. In Verbindung mit einem Teleskop und einem Spektrometer ermöglichen Gitter Wissenschaftlern die Analyse der spektralen Eigenschaften von Himmelskörpern.

Motiviert durch die etwas stagnierenden Fortschritte in der Gittertechnologie im letzten Jahrzehnt konzentrierten sich die Forscher Hanshin Lee von der University of Texas in Austin und Menelaos K. Poutous von der University of North Carolina in Charlotte, USA, auf eine völlig andere Art der Beugung Gitter. In ihrem kürzlich im Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems veröffentlichten Artikel berichten sie über ihre Erfolge bei der Herstellung hocheffizienter Proof-of-Concept-Beugungsgitter mithilfe der reaktiven Ionenplasmaätzung (RIPLE), einer normalerweise plasmabasierten Fertigungstechnologie für Halbleiter verwendet.

Vereinfacht ausgedrückt umfasst der in dieser Studie verwendete RIPLE-Prozess das „Zeichnen“ (unter Verwendung eines hochpräzisen Elektronenstrahls) des gewünschten Gittermusters auf eine Chrommaskierungsschicht, die auf einem Quarzsubstrat platziert ist. Das Gittermuster wird dann mit chemisch reaktivem Plasma direkt auf das Quarzsubstrat geschnitzt; Die Chrommaske fungiert als Schutzschild und das Plasma zerfrisst nur die freiliegenden Bereiche.

Nach der Feinabstimmung verschiedener Parameter des Prozesses durch theoretische Berechnungen, Simulationen und experimentelles Ausprobieren gelang es den Forschern, Beugungsgitter erster Ordnung mit sehr präzisen Strukturen im Nanomaßstab herzustellen. Dies führte zu einer nahezu theoretischen unpolarisierten Beugungseffizienz, die in der Spitze 94,3 % erreichte und über einen Wellenlängenbereich von mehr als 200 nm bei über 70 % blieb. „Diese Art von Leistung wurde nur selten bei Beugungsgittern für die Astronomie erreicht, wo aufgrund des Photonenmangels jeder Effizienzgewinn wirklich wichtig ist“, sagte Lee.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung des RIPLE-Verfahrens zur Herstellung von Beugungsgittern besteht darin, dass die Gitterstruktur direkt in das Glassubstrat eingebettet ist und somit die gleichen Materialeigenschaften aufweisen. „Unsere Gitter können optisch, thermisch und mechanisch sehr robust sein, was sie ideal für raue Umgebungen macht, wie sie beispielsweise in Weltraumobservatorien und kryogenen Systemen vorkommen“, sagte Poutous. „Dies ermöglicht ihre Anwendung in einem breiten Spektrum von wissenschaftlichen und.“ technische spektroskopische Messungen.“

Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie das Potenzial des RIPLE-Prozesses, die Art und Weise, wie Beugungsgitter hergestellt werden, zu revolutionieren. Die Forscher sind optimistisch, was den zukünftigen Einsatz solcher hocheffizienten Gitter in der kommenden Ära bodengestützter ELTs mit Öffnungen über 30 Metern angeht. Mit etwas Glück werden diese Gitter in den kommenden Jahren für Astronomen von entscheidender Bedeutung sein, um extrem lichtschwache Objekte weit draußen im Weltraum zu beobachten.

Lesen Sie den Gold Open Access-Artikel von Hanshin und Poutous, „Reactive ion plasma etched surface relief gratings for low/medium/high Resolution spectroscopy in astronomy“, J. Astron. Telesc. Instrument. Syst. 8(4) 045002 2022, doi 10.1117/1.JATIS.8.4.045002.

SpaceRef-Mitbegründer, Explorers Club Fellow, Ex-NASA, Auswärtsteams, Journalist, Weltraum- und Astrobiologie, ehemaliger Bergsteiger.