پیشرفت پوشش‌های اتمی تلسکوپ‌های فرابنفش فضایی را متحول می‌کند!

مشاهده نور فرابنفش (UV) در فضا، پنجره‌ای به سوی برخی از پرانرژی‌ترین پدیده‌های کیهانی می‌گشاید. با این حال، جذب مؤثر فوتون‌های فرابنفش همچنان یکی از چالش‌های فناوری‌های اپتیکی فضایی به شمار می‌رود، چرا که این نوع نور با بسیاری از مواد مرسوم سازگار نیست و به سختی جذب یا بازتاب می‌شود. برای غلبه بر این چالش، پژوهشگران در حال توسعه پوشش‌های نازک با ساختاری در مقیاس اتمی هستند که توانایی شناسایی نور فرابنفش را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشند.

در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا (JPL)، محققان با بهره‌گیری از دو روش دقیق «لایه‌نشانی اتمی» (Atomic Layer Deposition - ALD) و «حذف لایه‌اتمی» (Atomic Layer Etching - ALE) در حال ساخت نسل جدیدی از پوشش‌های اپتیکی هستند. برخلاف روش‌های سنتی مانند «تبخیر فیزیکی بخار» (PVD) که در آن ماده به حالت بخار درآمده و روی سطوح چگالیده می‌شود، در روش‌های ALD و ALE از واکنش‌های شیمیایی کنترل‌شده برای افزودن یا حذف ماده به‌صورت لایه به لایه در مقیاس اتمی استفاده می‌شود. این تکنیک امکان پوشش‌دهی یکنواخت سطوح پیچیده و کنترل دقیق ضخامت لایه‌ها را فراهم می‌سازد.

در حالی که روش‌های ALD و ALE پیش‌تر در صنایع نیمه‌رسانا برای ساخت ترانزیستور‌های پیشرفته مورد استفاده قرار گرفته‌اند، کاربرد آنها در اپتیک فرابنفش هنوز نوپا است. در این حوزه، به جای استفاده از اکسید‌های فلزی رایج، از فلوراید‌های فلزی استفاده می‌شود، چرا که شکاف نوری (optical bandgap) بالاتری دارند و در نتیجه، جذب ناخواسته نور را کاهش می‌دهند. پژوهشگران JPL موفق به توسعه فرآیند‌هایی مبتنی بر واکنش‌های شیمیایی با هیدروژن فلوراید برای ساخت لایه‌های ALD و ALE از فلوراید‌های فلزی شده‌اند.

به گزارش اسپیس دیلی، آلومینیوم یکی از مواد کلیدی در ساخت آینه‌ها و فیلتر‌های ابزار‌های فرابنفش است، چرا که بازتاب‌دهندگی بالایی در طول‌موج‌های فرابنفش دارد. اما این فلز به آسانی اکسید می‌شود و عملکرد خود را از دست می‌دهد. استفاده از پوشش‌های فلوراید فلزی، سطح آلومینیوم را در برابر اکسید شدن محافظت کرده و هم‌زمان بازتاب نوری آن را نیز حفظ می‌کند.

این روش پوشش‌دهی مبتنی بر ALD در طراحی اپتیک تلسکوپ‌های دو مأموریت جدید SmallSat در حوزه اخترشناسی فرابنفش به‌کار گرفته شده است: مأموریت SPRITE (آزمایشگاه بقایای ابرنواختر و بررسی بازیونیزاسیون) به سرپرستی برایان فلمینگ از دانشگاه کلرادو بولدر، و مأموریت Aspera به مدیریت کارلوس وارگاس از دانشگاه آریزونا. این مأموریت‌ها از آینه‌هایی با روکش آلومینیومی استفاده می‌کنند که به‌وسیله لایه‌ای از فلوراید لیتیوم پوشش داده شده‌اند؛ لایه‌ای که به روش نوآورانه‌ای در مرکز فضایی گادرد ناسا از طریق PVD ایجاد شده و در مرحله نهایی با لایه‌ای بسیار نازک از فلوراید منیزیم (حدود ۱.۵ نانومتر ضخامت) که با ALD اعمال شده، محافظت می‌شود.

پوشش فلوراید لیتیوم به این تلسکوپ‌ها امکان می‌دهد تا طول‌موج‌هایی از نور فرابنفش را ثبت کنند که حتی برای تلسکوپ هابل که تنها از فلوراید منیزیم بهره می‌برد نیز قابل دسترسی نیست. با این حال، حساسیت فلوراید لیتیوم به رطوبت یکی از چالش‌های اصلی پیش از پرتاب به فضا محسوب می‌شود. به همین دلیل، آینه‌های SPRITE و Aspera با لایه‌ای فوق‌نازک از فلوراید منیزیم پوشیده شده‌اند که ضمن محافظت در برابر رطوبت، تأثیر منفی بر عملکرد در طول‌موج‌های کوتاه UV نخواهد گذاشت. ناسا بررسی‌هایی برای به‌کارگیری همین روش‌ها در رصدخانه آینده "جهان‌های قابل زیست" (Habitable Worlds Observatory – HWO) نیز آغاز کرده است.

افزون بر آینه‌ها، پشته‌های چندلایه‌ای از آلومینیوم و فلوراید‌های فلزی به‌عنوان فیلتر‌های عبوردهنده باند UV (bandpass filters) استفاده می‌شوند که تنها دامنه‌های خاصی از طول‌موج را عبور می‌دهند. دقت و یکنواختی بالای ALD این روش را برای ساخت این فیلتر‌ها بسیار مناسب کرده است. با اینکه آلومینیوم هنوز با روش ALD قابل رسوب‌دهی نیست، JPL اتاق خلأ ویژه‌ای طراحی کرده است که امکان ترکیب PVD برای آلومینیوم و ALD برای پوشش‌های فلوراید را فراهم می‌کند. این سیستم ترکیبی تاکنون برای اعمال فیلتر‌های UV مستقیماً بر حسگر‌های تصویربرداری مانند CCD‌های سیلیکونی به‌کار رفته است تا حساسیت آنها به UV را افزایش داده و تداخل نور مرئی را کاهش دهد.

این ساختار‌های پوشش‌دار اخیراً به‌عنوان بخشی از دوربین فرابنفش ماهواره مکعبی SPARCS (مطالعه فعالیت‌های ستاره-سیاره) به سرپرستی اِوگنیا شکولنیک از دانشگاه ایالتی آریزونا تحویل داده شده‌اند. این دوربین از CCD سیلیکونی با ساختار doped-delta استفاده می‌کند که دارای فیلتر‌های پوشش‌داده‌شده با ALD/PVD در کانال UV دور خود است. این ترکیب در حدود طول‌موج ۱۶۰ نانومتر، حساسیت بسیار بالایی را به همراه حذف مؤثر طول‌موج‌های ناخواسته فراهم کرده است.

در آینده، تیم JPL قصد دارد این فیلتر‌های عبوردهنده باند را برای آرایه‌های حسگر CMOS سیلیکونی بزرگ‌تر نیز تطبیق دهد تا در مأموریت آینده Medium-Class Explorer ناسا با عنوان UltraViolet EXplorer (UVEX) به کار رود؛ مأموریتی که تحت هدایت فیونا هریسون از مؤسسه فناوری کلتک در حال توسعه است و پرتاب آن برای اوایل دهه ۲۰۳۰ برنامه‌ریزی شده است.

انتهای پیام/