Une nouvelle façon de fabriquer des produits haut de gamme

Aug 16, 2023

Aujourd’hui, les astronomes cherchent à observer les objets les plus faibles et les plus éloignés possibles. Les télescopes de très grande taille (ELT), dotés d'ouvertures de l'ordre de plusieurs dizaines de mètres, constituent la prochaine génération d'installations permettant d'y parvenir.

Cependant, la construction de télescopes plus grands ne représente qu’une partie de l’équation. L’autre partie est la capacité de détecter les photons collectés de la manière la plus efficace possible. C’est là que rendre plus efficaces tous les autres composants optiques des instruments astronomiques devient crucial. Un composant essentiel utilisé dans la science astronomique moderne est le réseau de diffraction. Son rôle est de diffuser spatialement la lumière entrante dans ses fréquences constitutives, à la manière d’un prisme en verre. Grâce à une structure conçue avec précision qui exploite la nature ondulatoire des photons, les réseaux de diffraction peuvent séparer la lumière de différentes longueurs d'onde avec une très haute résolution. Couplés à un télescope et à un spectromètre, les réseaux permettent aux scientifiques d'analyser les propriétés spectrales des corps célestes.

Motivés par les progrès quelque peu stagnants réalisés dans la technologie des réseaux au cours de la dernière décennie, les chercheurs Hanshin Lee de l'Université du Texas à Austin et Menelaos K. Poutous de l'Université de Caroline du Nord à Charlotte, aux États-Unis, se sont concentrés sur une manière complètement différente de fabriquer des systèmes de diffraction. grilles. Dans leur article récemment publié dans le Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, ils rapportent leur succès dans la fabrication de réseaux de diffraction à haute efficacité de validation de principe utilisant la gravure par plasma ionique réactif (RIPLE), une technologie de fabrication à base de plasma normalement utilisé pour les semi-conducteurs.

En termes simples, le processus RIPLE utilisé dans cette étude consiste à « dessiner » (à l’aide d’un faisceau d’électrons de haute précision) le motif de réseau souhaité sur une couche de masquage en chrome placée sur un substrat de quartz. Le motif du réseau est ensuite gravé directement sur le substrat de quartz à l'aide d'un plasma chimiquement réactif ; le masque chromé agit comme un bouclier et le plasma ne ronge que les régions exposées.

Après avoir peaufiné divers paramètres du processus grâce à des calculs théoriques, des simulations et des essais et erreurs expérimentaux, les chercheurs ont réussi à produire des réseaux de diffraction de premier ordre avec des structures à l’échelle nanométrique très précises. Cela s'est traduit par une efficacité de diffraction non polarisée quasi théorique, atteignant 94,3 % à son maximum et restant supérieure à 70 % sur une plage de longueurs d'onde plus large que 200 nm. "Ce type de performance n'a été que rarement atteint dans les réseaux de diffraction utilisés pour l'astronomie, où chaque gain d'efficacité compte vraiment en raison du manque de photons", a déclaré Lee.

Un autre avantage de l'utilisation du procédé RIPLE pour produire des réseaux de diffraction est que la structure du réseau est intégrée directement dans le substrat en verre, ce qui signifie qu'ils partagent les mêmes caractéristiques matérielles. "Nos réseaux peuvent être très robustes optiquement, thermiquement et mécaniquement, ce qui les rend idéaux pour les environnements difficiles, tels que ceux trouvés dans les observatoires spatiaux et les systèmes cryogéniques", a déclaré Poutous. "Cela permet leur application dans un large éventail d'applications scientifiques et mesures spectroscopiques d’ingénierie.

Dans l’ensemble, les résultats de cette étude mettent en valeur le potentiel du procédé RIPLE pour révolutionner la manière dont les réseaux de diffraction sont fabriqués. Les chercheurs sont optimistes quant à l’utilisation future de tels réseaux à haut rendement dans l’ère à venir des ELT au sol avec des ouvertures supérieures à 30 mètres. Avec un peu de chance, ces réseaux permettront aux astronomes d'observer des objets extrêmement faibles dans l'espace dans les années à venir.

Lisez l'article Gold Open Access de Hanshin et Poutous, «Réseaux de relief de surface gravés au plasma d'ions réactifs pour la spectroscopie basse/moyenne/haute résolution en astronomie», J. Astron. Téléscopique. Instrument. Système. 8(4) 045002 2022, est ce que je 10.1117/1.JATIS.8.4.045002.

Co-fondateur de SpaceRef, membre du Explorers Club, ex-NASA, équipes extérieures, journaliste, espace et astrobiologie, grimpeur périmé.