Uma nova maneira de fabricar alta

Aug 16, 2023

Hoje, os astrônomos procuram observar os objetos mais tênues e distantes possíveis. Os Extremely Large Telescopes (ELTs), com aberturas da ordem de várias dezenas de metros, são as instalações da próxima geração para o fazer.

No entanto, construir telescópios maiores é apenas uma parte da equação. A outra parte é a capacidade de detectar os fótons coletados da maneira mais eficiente possível. É aqui que tornar todos os outros componentes ópticos em instrumentos astronômicos mais eficientes se torna crucial. Um componente essencial usado na ciência astronômica moderna é a rede de difração. Seu papel é espalhar espacialmente a luz que entra em suas frequências constituintes, semelhante ao que faz um prisma de vidro. Graças a uma estrutura projetada com precisão que aproveita a natureza ondulatória dos fótons, as redes de difração podem separar a luz de diferentes comprimentos de onda com resolução muito alta. Quando acopladas a um telescópio e a um espectrômetro, as grades permitem aos cientistas analisar as propriedades espectrais dos corpos celestes.

Motivados pelo progresso um tanto estagnado alcançado na tecnologia de grades na última década, os pesquisadores Hanshin Lee, da Universidade do Texas, em Austin, e Menelaos K. Poutous, da Universidade da Carolina do Norte, em Charlotte, EUA, concentraram-se em uma maneira completamente diferente de fabricar difração. grades. Em seu artigo publicado recentemente no Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, eles relatam seu sucesso na fabricação de redes de difração de alta eficiência e prova de conceito usando gravação de íon-plasma reativo (RIPLE), uma tecnologia de fabricação baseada em plasma normalmente usado para semicondutores.

Simplificando, o processo RIPLE usado neste estudo envolve “desenhar” (usando um feixe de elétrons de alta precisão) o padrão de grade desejado em uma camada de máscara de cromo colocada sobre um substrato de quartzo. O padrão de grade é então esculpido diretamente no substrato de quartzo usando plasma quimicamente reativo; a máscara cromada atua como um escudo e o plasma apenas corrói as regiões expostas.

Depois de ajustar vários parâmetros do processo por meio de cálculos teóricos, simulações e tentativa e erro experimental, os pesquisadores conseguiram produzir redes de difração de primeira ordem com estruturas em nanoescala muito precisas. Isso se traduziu em uma eficiência de difração não polarizada quase teórica, atingindo 94,3% em seu pico e permanecendo acima de 70% em uma faixa de comprimento de onda maior que 200 nm. “Este tipo de desempenho raramente foi alcançado em redes de difração usadas para astronomia, onde cada ganho de eficiência realmente importa devido à falta de fótons”, disse Lee.

Outra vantagem de utilizar o processo RIPLE para produzir redes de difração é que a estrutura da rede é embutida diretamente no substrato de vidro, o que significa que compartilham as mesmas características do material. “Nossas grades podem ser muito robustas óptica, térmica e mecanicamente, o que as torna ideais para ambientes agressivos, como aqueles encontrados em observatórios espaciais e sistemas criogênicos”, disse Poutous, “Isso permite sua aplicação em uma ampla gama de aplicações científicas e medições espectroscópicas de engenharia.”

No geral, os resultados deste estudo mostram o potencial do processo RIPLE para revolucionar a forma como as redes de difração são fabricadas. Os investigadores estão optimistas quanto à utilização futura de tais redes de alta eficiência na próxima era dos ELT terrestres com aberturas superiores a 30 metros. Com alguma sorte, estas redes serão fundamentais para os astrónomos observarem objetos extremamente ténues no espaço nos próximos anos.

Leia o artigo Gold Open Access de Hanshin e Poutous, “Reactive ion plasma etched surface relevo gratings for low/media/high solutions spectroscopia in astronomy”, J. Astron. Telesc. Instrumento. Sist. 8(4) 045002 2022, doi 10.1117/1.JATIS.8.4.045002.

Cofundador da SpaceRef, Explorers Club Fellow, ex-NASA, Away Teams, Jornalista, Espaço e Astrobiologia, Alpinista caduco.