天文分光用高効率回折格子の革新的技術

今日の天文学者は、最もかすかで最も遠い天体を観測することを目指しています。 これを行うための最新の施設は、数十メートルの範囲の開口部を持つ超大型望遠鏡 (ELT) です。 しかし、望遠鏡のサイズを大きくすることは、問題の 1 つの側面にすぎません。

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。 画像クレジット: 著者。

収集された光子を可能な限り効果的に検出する機能は、他のコンポーネントを構成します。 この時点で、天文機器の他のすべての光学部品をより効果的にすることが重要です。 回折格子は、現代の天文学における重要なツールです。

ガラス プリズムの機能と同様に、その機能は、入射光をその周波数に空間的に広げることです。 回折格子は、光子が波のように振る舞うという事実を利用して慎重に設計された構造により、非常に高い分解能でさまざまな波長の光を分離できます。

グレーティングを望遠鏡や分光計と組み合わせて使用​​すると、研究者は天体のスペクトル特性を調べることができます。

ノースカロライナ大学シャーロット校の Menelaos K. Poutous 氏とテキサス大学オースティン校の Hanshin Lee 氏は、過去 10 年間の回折格子技術の進歩が幾分停滞した結果として、まったく異なる回折格子の製造方法に注目しました。

で最近発表された論文で報告されているように、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) は、概念実証の高効率回折格子の製造に成功しました。 Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems.

簡単に言えば、この研究で適用された RIPLE 法は、高精度の電子ビームを使用して、石英基板上のクロム マスキング層に目的の格子パターンを「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、グレーティング パターンを石英基板に直接刻みます。 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のみにダメージを与えます。

プロセスのさまざまなパラメーターは、シミュレーション、理論計算、および実験的な試行錯誤を使用して、研究者によって微調整されました。 その結果、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ができました。

これにより、94.3% でピークに達し、200 nm より長い波長範囲で 70% を超えるままの、ほぼ理論上の非偏光回折効率が得られました。

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。

Hanshin Lee、テキサス大学オースティン校自然科学部研究科学者

格子構造がガラス基板に直接組み込まれているという事実、つまり同じ材料特性を共有していることは、RIPLE プロセスを使用して回折格子を作成するもう 1 つの利点です。

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などの過酷な環境に最適です。 これにより、幅広い科学的および工学的分光測定でのアプリケーションが可能になります。

Menelaos K. Poutous 准教授、ノースカロライナ大学シャーロット校、物理学および光学科学科、学際的光学系

全体として、この研究の結果は、RIPLE プロセスが回折格子の製造方法を完全に変える可能性があることを示しています。 開口部が 30 m を超える地上ベースの ELT の次の時代では、研究者はこのような高効率グレーティングの使用について楽観的です。

願わくば、これらのグレーティングが、天文学者が今後数年間、宇宙で信じられないほど暗い天体を観察するのに役立つことを願っています。

ジャーナルの参照:

リー、H. ら。 (2022) 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。 天体望遠鏡、機器、およびシステムのジャーナル。 doi:10.1117/1.JATIS.8.4.045002.

ソース: https://spie.org/?SSO=1

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