天文分光用の高効率回折格子を製造する新しい方法

Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems (2022). DOI: 10.1117/1.JATIS.8.4.045002″ width=”800″ height=”450″/>

回折格子の性能の視覚的なデモンストレーション。 ゼロ次透過率は、回折(最小化する必要があります)を受けずにグレーティングを直進する光を指し、1次透過率は、光の各周波数の最初の回折ピークを指します。 (b) 1 次透過 (オレンジ) および 0 次透過 (シアン) のグレーティングの回折効率。 注目に値するのは、グレーティングの一次回折効率が、200 nm を超える広い波長範囲で 70% を超えたことです。 クレジット: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems (2022)。 DOI: 10.1117/1.JATIS.8.4.045002

今日、天文学者は可能な限り最もかすかで最も遠い天体を観察しようとしています。 そのための次世代の施設として、口径が数十メートルの超大型望遠鏡 (ELT) があります。 しかし、より大きな望遠鏡を構築することは方程式の一部にすぎません。 もう 1 つの部分は、収集された光子を可能な限り最も効率的な方法で検出する機能です。

ここで、天文機器の他のすべての光学部品をより効率的にすることが重要になります。 現代の天文学で使用される重要なコンポーネントの 1 つは、回折格子です。 その役割は、ガラス プリズムと同様に、入射光を構成周波数に空間的に広げることです。

光子の波のような性質を利用する精密に設計された構造のおかげで、回折格子は非常に高い解像度で異なる波長の光を分離できます。 望遠鏡や分光計と組み合わせると、科学者はグレーティングを使用して天体のスペクトル特性を分析できます。

テキサス大学オースティン校の研究者 Hanshin Lee とノースカロライナ大学シャーロット校の Menelaos K. Poutous 研究者は、過去 10 年間にグレーティング技術の進歩がやや停滞していたことに刺激を受け、回折格子を製造するまったく異なる方法に注目しました。

最近出版された彼らの論文では、 Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems、彼らは、半導体に通常使用されるプラズマベースの製造技術である反応性イオンプラズマエッチング(RIPLE)を使用して、概念実証の高効率回折格子を製造することに成功したことを報告しています。

簡単に言えば、この研究で使用される RIPLE プロセスは、石英基板の上に配置されたクロム マスキング層上に、(高精度の電子ビームを使用して) 所望の格子パターンを「描く」ことを含みます。 次に、化学反応性プラズマを使用して、石英基板にグレーティング パターンを直接刻みます。 クロム マスクはシールドとして機能し、プラズマは露出した領域だけを侵食します。

理論計算、シミュレーション、および実験的な試行錯誤を通じてプロセスのさまざまなパラメーターを微調整した後、研究者は非常に正確なナノスケール構造を持つ一次回折格子を作成することに成功しました。 これは、理論に近い非偏光回折効率に変換され、ピーク時に 94.3% に達し、200 nm より広い波長にわたって 70% 以上を維持します。

「この種の性能は、天文学に使用される回折格子で達成されることはめったにありません。そこでは、光子不足のためにあらゆる効率の向上が本当に重要です」と Lee 氏は述べています。

RIPLEプロセスを使用して回折格子を製造するもう1つの利点は、格子構造がガラス基板に直接埋め込まれていることです。つまり、同じ材料特性を共有しています。

「当社のグレーティングは、光学的、熱的、および機械的に非常に堅牢であり、宇宙観測所や極低温システムで見られるような過酷な環境に最適です」と Poutous 氏は述べています。エンジニアリング分光測定。」

全体として、この研究の結果は、回折格子の製造方法に革命をもたらす RIPLE プロセスの可能性を示しています。 研究者は、開口部が 30 メートルを超える地上ベースの ELT の次の時代における、このような高効率グレーティングの将来の使用について楽観的です。 運が良ければ、これらのグレーティングは、天文学者が今後数年間で宇宙のはるか遠くにある非常に暗い天体を観測するのに役立つでしょう。

詳しくは:
Hanshin Lee et al、天文学における低/中/高解像度分光法のための反応性イオンプラズマエッチング表面レリーフグレーティング、 Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems (2022)。 DOI: 10.1117/1.JATIS.8.4.045002

引用: 天文分光法用の高効率回折格子を製造する新しい方法 (2022 年 11 月 10 日) 2022 年 11 月 10 日に https://phys.org/news/2022-11-fabricating-high-efficiency-diffraction-astronomical-spectroscopy から取得.html

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