Ein neuer Weg zur Herstellung hocheffizienter Beugungsgitter für die astronomische Spektroskopie

Heutzutage versuchen Astronomen, die schwächsten und entferntesten Objekte zu beobachten. Extremely Large Telescopes (ELTs) mit Öffnungen in der Größenordnung von mehreren Dutzend Metern sind die Einrichtungen der nächsten Generation dafür. Der Bau größerer Teleskope ist jedoch nur ein Teil der Gleichung. Der andere Teil ist die Fähigkeit, die gesammelten Photonen so effizient wie möglich zu detektieren.

Hier wird es entscheidend, alle anderen optischen Komponenten in astronomischen Instrumenten effizienter zu machen. Eine wesentliche Komponente, die in der modernen astronomischen Wissenschaft verwendet wird, ist das Beugungsgitter. Seine Aufgabe besteht darin, einfallendes Licht räumlich in seine einzelnen Frequenzen aufzuteilen, ähnlich wie es ein Glasprisma tut.

Dank einer präzise konstruierten Struktur, die die wellenartige Natur von Photonen nutzt, können Beugungsgitter Licht unterschiedlicher Wellenlängen mit sehr hoher Auflösung trennen. In Verbindung mit einem Teleskop und einem Spektrometer ermöglichen Gitter Wissenschaftlern die Analyse der spektralen Eigenschaften von Himmelskörpern.

Motiviert durch den etwas stagnierenden Fortschritt, der in den letzten zehn Jahren in der Gittertechnologie erzielt wurde, konzentrierten sich die Forscher Hanshin Lee von der University of Texas in Austin und Menelaos K. Poutous von der University of North Carolina in Charlotte auf eine völlig andere Art der Herstellung von Beugungsgittern.

In ihrem kürzlich erschienenen Artikel in der Zeitschrift für astronomische Teleskope, Instrumente und Systemeberichten sie über ihren Erfolg bei der Herstellung von hocheffizienten Beugungsgittern zum Proof-of-Concept unter Verwendung von reaktivem Ionenplasmaätzen (RIPLE), einer plasmabasierten Fertigungstechnologie, die normalerweise für Halbleiter verwendet wird.

Einfach ausgedrückt beinhaltet der in dieser Studie verwendete RIPLE-Prozess das „Zeichnen“ (unter Verwendung eines hochpräzisen Elektronenstrahls) des gewünschten Gittermusters auf eine Chrommaskierungsschicht, die auf einem Quarzsubstrat angeordnet ist. Das Gittermuster wird dann unter Verwendung eines chemisch reaktiven Plasmas direkt auf das Quarzsubstrat geschnitzt; Die Chrommaske dient als Schutzschild und das Plasma frisst nur an den belichteten Bereichen.

Nach der Feinabstimmung verschiedener Parameter des Prozesses durch theoretische Berechnungen, Simulationen und experimentelles Trial-and-Error gelang es den Forschern, Beugungsgitter erster Ordnung mit sehr präzisen Strukturen im Nanobereich herzustellen. Dies führte zu einer nahezu theoretischen unpolarisierten Beugungseffizienz, die 94,3 % an der Spitze erreichte und über einem Wellenlängenbereich von mehr als 200 nm über 70 % blieb.

„Diese Art von Leistung wurde nur selten in Beugungsgittern erreicht, die für die Astronomie verwendet werden, wo aufgrund von Photonenmangel wirklich jeder Effizienzgewinn zählt“, sagte Lee.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung des RIPLE-Verfahrens zur Herstellung von Beugungsgittern besteht darin, dass die Gitterstruktur direkt in das Glassubstrat eingebettet ist, was bedeutet, dass sie die gleichen Materialeigenschaften aufweisen.

„Unsere Gitter können optisch, thermisch und mechanisch sehr robust sein, was sie ideal für raue Umgebungen macht, wie sie beispielsweise in Weltraumobservatorien und kryogenen Systemen zu finden sind“, sagte Poutous, „Dies ermöglicht ihre Anwendung in einem breiten Spektrum von wissenschaftlichen und technische spektroskopische Messungen.“

Insgesamt demonstrieren die Ergebnisse dieser Studie das Potenzial des RIPLE-Prozesses, die Art und Weise zu revolutionieren, wie Beugungsgitter hergestellt werden. Die Forscher sind optimistisch in Bezug auf die zukünftige Verwendung solcher hocheffizienter Gitter in der bevorstehenden Ära der bodengestützten ELTs mit Öffnungen von über 30 Metern. Mit etwas Glück werden diese Gitter für Astronomen in den kommenden Jahren von entscheidender Bedeutung sein, um extrem lichtschwache Objekte weit draußen im Weltraum zu beobachten.