Une nouvelle façon de fabriquer des réseaux de diffraction à haut rendement pour la spectroscopie astronomique

Aujourd’hui, les astronomes cherchent à observer les objets les plus faibles et les plus éloignés possibles. Les télescopes extrêmement grands (ELT), avec des ouvertures de l’ordre de plusieurs dizaines de mètres, sont les installations de nouvelle génération pour le faire. Cependant, la construction de télescopes plus grands n’est 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 tous les autres composants optiques des instruments astronomiques plus efficaces 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, comme le fait un prisme de 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, se sont concentrés sur une manière complètement différente de fabriquer des réseaux de diffraction.

Dans leur article récemment publié dans le Journal des télescopes, instruments et systèmes astronomiquesils rapportent leur succès dans la fabrication de réseaux de diffraction à haut rendement de preuve de concept utilisant la gravure réactive au plasma ionique (RIPLE), une technologie de fabrication à base de plasma normalement utilisée 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 de chrome placée sur un substrat de quartz. Le motif de réseau est ensuite gravé directement sur le substrat de quartz à l’aide d’un plasma chimiquement réactif ; le masque de chrome agit comme un bouclier et le plasma ne ronge que les régions exposées.

Après avoir affiné divers paramètres du processus par 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 de la privation 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 sur le plan optique, thermique et mécanique, ce qui les rend idéaux pour les environnements difficiles, tels que ceux que l’on trouve dans les observatoires spatiaux et les systèmes cryogéniques », a déclaré Poutous, « Cela permet leur application dans un large éventail de domaines scientifiques et mesures spectroscopiques d’ingénierie. »

Dans l’ensemble, les résultats de cette étude montrent 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 ces 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 très loin dans l’espace dans les années à venir.