Un nuovo modo di produrre high

Aug 16, 2023

Oggi gli astronomi cercano di osservare gli oggetti più deboli e distanti possibili. Gli Extremely Large Telescopes (ELT), con aperture dell'ordine di diverse decine di metri, sono le strutture di prossima generazione in grado di farlo.

Tuttavia, costruire telescopi più grandi è solo una parte dell’equazione. L'altra parte è la capacità di rilevare i fotoni raccolti nel modo più efficiente possibile. È qui che diventa cruciale rendere più efficienti tutti gli altri componenti ottici degli strumenti astronomici. Un componente essenziale utilizzato nella moderna scienza astronomica è il reticolo di diffrazione. Il suo ruolo è quello di diffondere spazialmente la luce in arrivo nelle sue frequenze costituenti, in modo simile a come fa un prisma di vetro. Grazie a una struttura progettata con precisione che sfrutta la natura ondulatoria dei fotoni, i reticoli di diffrazione possono separare la luce di diverse lunghezze d'onda con una risoluzione molto elevata. Se abbinati a un telescopio e uno spettrometro, i reticoli consentono agli scienziati di analizzare le proprietà spettrali dei corpi celesti.

Motivati ​​dai progressi piuttosto stagnanti compiuti nella tecnologia dei reticoli negli ultimi dieci anni, i ricercatori Hanshin Lee dell'Università del Texas ad Austin e Menelaos K. Poutous dell'Università della Carolina del Nord a Charlotte, USA, si sono concentrati su un modo completamente diverso di fabbricare la diffrazione grate. Nel loro articolo recentemente pubblicato sul Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, riferiscono il loro successo nella produzione di reticoli di diffrazione ad alta efficienza proof-of-concept utilizzando l'attacco al plasma ionico reattivo (RIPLE), una tecnologia di produzione basata sul plasma normalmente utilizzato per i semiconduttori.

In parole povere, il processo RIPLE utilizzato in questo studio prevede il “disegno” (utilizzando un fascio di elettroni ad alta precisione) il modello di reticolo desiderato su uno strato di mascheramento cromato posizionato sopra un substrato di quarzo. Il disegno del reticolo viene quindi inciso direttamente sul substrato di quarzo utilizzando plasma chimicamente reattivo; la maschera cromata funge da scudo e il plasma corrode solo le regioni esposte.

Dopo aver messo a punto vari parametri del processo attraverso calcoli teorici, simulazioni e tentativi ed errori sperimentali, i ricercatori sono riusciti a produrre reticoli di diffrazione del primo ordine con strutture su scala nanometrica molto precise. Ciò si è tradotto in un’efficienza di diffrazione non polarizzata quasi teorica, raggiungendo il 94,3% al suo picco e rimanendo oltre il 70% su un intervallo di lunghezze d’onda più ampio di 200 nm. "Questo tipo di prestazione è stata raggiunta solo raramente nei reticoli di diffrazione utilizzati per l'astronomia, dove ogni piccolo guadagno di efficienza è davvero importante a causa della carenza di fotoni", ha affermato Lee.

Un altro vantaggio dell'utilizzo del processo RIPLE per produrre reticoli di diffrazione è che la struttura del reticolo è incorporata direttamente nel substrato di vetro, il che significa che condividono le stesse caratteristiche del materiale. "I nostri reticoli possono essere molto robusti dal punto di vista ottico, termico e meccanico, il che li rende ideali per ambienti difficili, come quelli che si trovano negli osservatori spaziali e nei sistemi criogenici", ha affermato Poutous, "Ciò consente la loro applicazione in un'ampia gamma di applicazioni scientifiche e misurazioni spettroscopiche ingegneristiche.

Nel complesso, i risultati di questo studio mostrano il potenziale del processo RIPLE di rivoluzionare il modo in cui vengono fabbricati i reticoli di diffrazione. I ricercatori sono ottimisti riguardo al futuro utilizzo di tali reticoli ad alta efficienza nella prossima era dei PFU a terra con aperture superiori a 30 metri. Con un po’ di fortuna, questi reticoli saranno fondamentali per gli astronomi per osservare oggetti estremamente deboli nello spazio nei prossimi anni.

Leggi l'articolo Gold Open Access di Hanshin e Poutous, "Reactive ion plasma etched superficie in rilievo reticoli per spettroscopia a bassa/media/alta risoluzione in astronomia", J. Astron. Telesc. Strumento. Sist. 8(4) 045002 2022, doi 10.1117/1.JATIS.8.4.045002.

Co-fondatore di SpaceRef, Explorers Club Fellow, ex NASA, squadre di trasferta, giornalista, spazio e astrobiologia, scalatore decaduto.