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Técnica innovadora para redes de difracción altamente eficientes en espectroscopia astronómica

Hoy en día, los astrónomos tienen como objetivo observar los objetos más débiles y lejanos. Las instalaciones más nuevas para hacer esto son los Extremely Large Telescopes (ELT), que tienen aperturas en el rango de decenas de metros. Pero aumentar el tamaño de los telescopios es solo un aspecto del problema.

Visualización visual del rendimiento de la rejilla de difracción. La transmisión de orden cero se refiere a la luz que pasa directamente a través de la red sin pasar por difracción (que debe minimizarse), mientras que la transmisión de primer orden se refiere al primer pico de difracción para cada frecuencia de luz. (b) La eficiencia de difracción de las redes para transmisión de primer orden (naranja) y transmisión de orden cero (cian). Vale la pena señalar que la eficiencia de difracción de primer orden de la red fue superior al 70% para un amplio rango de longitud de onda de más de 200 nm. Crédito de la imagen: los autores.

La capacidad de detectar los fotones recogidos con la mayor eficacia posible es otro componente. Hacer que todas las demás partes ópticas de los instrumentos astronómicos sean más eficientes es fundamental en este punto. La rejilla de difracción es una herramienta clave en la astronomía moderna.

Similar a cómo funciona un prisma de vidrio, su función es propagar espacialmente la luz entrante en sus frecuencias. Las barreras de difracción pueden separar la luz de diferentes longitudes de onda con una precisión muy alta gracias a una estructura cuidadosamente diseñada que aprovecha el hecho de que los fotones se comportan como ondas.

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Las pinzas permiten a los investigadores examinar las propiedades espectrales de los cuerpos celestes cuando se usan junto con un telescopio y un espectrómetro.

Los investigadores Menelaos K. Poutous de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte y Hanshin Li de la Universidad de Texas en Austin se han centrado en un método completamente diferente para fabricar rejillas de difracción como resultado del progreso algo estancado en la tecnología de mallas en los últimos diez años. .

El grabado con plasma iónico reactivo (RIPLE, por sus siglas en inglés), una técnica de fabricación basada en plasma que generalmente se usa para semiconductores, ha tenido éxito en la producción de rejillas de difracción de prueba de concepto altamente eficientes, como se informó en su artículo publicado recientemente en Revista de telescopios, instrumentos y sistemas astronómicos.

En pocas palabras, el método RIPLE aplicado en este estudio implica «dibujar» el patrón de celosía deseado en una capa de enmascaramiento de cromo sobre un sustrato de cuarzo utilizando un haz de electrones de alta resolución.

El plasma químicamente reactivo se usa luego para tallar el patrón ranurado directamente sobre un sustrato de cuarzo; La máscara de cromo actúa como un escudo y el plasma solo daña las áreas expuestas.

Los investigadores establecieron los diversos parámetros del proceso mediante simulaciones, cálculos teóricos, prueba y error. Como resultado, pudieron crear rejillas de difracción de primera clase con estructuras a nanoescala muy finas.

Esto dio como resultado una eficiencia de difracción no polarizada que era casi teórica, alcanzando un máximo del 94,3 % y permaneciendo por encima del 70 % en una longitud de onda superior a 200 nm.

Este tipo de rendimiento rara vez se logra en las redes de difracción utilizadas en astronomía, donde cada bit de eficiencia realmente importa debido a la falta de fotones.

Hanshin Li, científico investigador, Facultad de Ciencias Naturales, Universidad de Texas en Austin

El hecho de que la estructura de rejilla esté directamente incrustada en el sustrato de vidrio, lo que significa que comparten las mismas propiedades materiales, es otra ventaja de crear rejillas de difracción mediante el proceso RIPLE.

Las rejillas pueden ser muy resistentes desde el punto de vista óptico, térmico y mecánico, lo que las hace ideales para entornos hostiles, como los de los observatorios espaciales y los sistemas criogénicos. Esto permite su aplicación en una amplia gama de mediciones espectrofotométricas científicas y de ingeniería.

Menelas K. Potos, Profesor Asociado, Óptica Interdisciplinaria, Departamento de Física y Ciencias Ópticas, Universidad de Carolina del Norte en Charlotte

En general, los resultados del estudio muestran cómo el proceso RIPLE puede cambiar por completo la forma en que se fabrican las rejillas de difracción. En la próxima era de ELT terrestres con aperturas superiores a 30 m, los investigadores se han mostrado optimistas sobre el uso de redes tan eficientes.

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Esperamos que estas redes ayuden a los astrónomos a detectar objetos increíblemente débiles en el espacio lejano en los próximos años.

Referencia de la revista:

Lee, h. et al. (2022) Rejillas de relieve superficial grabadas con plasmas de iones reactivos para espectroscopia de resolución baja/media/alta en astronomía. Revista de telescopios, instrumentos y sistemas astronómicos. doi: 10.1117/1.JATIS.8.4.045002.

fuente: https://spie.org/?SSO=1