Amélioration technique clé pour pouvoir détecter les mondes habitables en lumière ultraviolette

L’Observatoire des mondes habitables (HWO) est une future mission de la NASA qui, comme son nom l’indique, se concentrera sur l’étude des planètes potentiellement habitables.

L’Observatoire des mondes habitables sera sensible non seulement à la lumière dont les longueurs d’onde sont visibles par les humains, mais également à l’infrarouge et à l’ultraviolet.

L’un des instruments proposés pour des missions de ce type est le spectrographe LUMOS, conçu pour révolutionner la spectroscopie à haute résolution et dont le canal d’imagerie bénéficierait grandement de meilleurs filtres dans l’ultraviolet lointain.

LUMOS (LUVOIR Ultraviolet Multi Object Spectrograph) est un spectrographe multi-objets qui s’étend de 100 nanomètres à 1000. Cela couvre une bonne partie de l’ultraviolet lointain, de la lumière visible et même un peu de la bande proche infrarouge. LUVOIR (Large UV/Optical/IR Surveyor) est, comme l’Observatoire des Mondes Habitables, un observatoire spatial ambitieux proposé pour le futur.

Des chercheurs du Centre de Microanalyse des Matériaux de l’Université Autonome de Madrid (UAM) en Espagne, de l’Institut d’Optique du Conseil Supérieur de la Recherche Scientifique (CSIC) en Espagne et du Goddard Space Flight Center de la NASA aux États-Unis ont achevé récemment un travail visant à optimiser pour la première fois un nouveau revêtement optique réfléchissant pouvant être utilisé dans des dispositifs optiques fonctionnant dans l’ultraviolet lointain.

Le nouveau revêtement optique vise à répondre aux améliorations nécessaires en matière de détection de la lumière ultraviolette lointaine, nécessaires à la mission Habitable Worlds Observatory et à d’autres futurs observatoires.

Une étape dans le plan de déploiement de l’observatoire LUVOIR. (Image : NASA)

Pour obtenir de meilleurs filtres dans l’ultraviolet lointain, il est essentiel de leur conférer une réflectance très élevée et de les rendre très sensibles aux changements de longueur d’onde. Les revêtements multicouches au fluor constituent actuellement la meilleure option, mais doivent être améliorés pour la prochaine génération de missions spatiales.

La conception de miroirs et de filtres optiques capables de réfléchir efficacement la lumière ultraviolette lointaine pose aujourd’hui un grand défi technologique. Dans cette partie du spectre électromagnétique, située en dessous de 200 nanomètres de longueur d’onde, la plupart des matériaux absorbent fortement le rayonnement en raison des énergies élevées impliquées. Cela réduit considérablement la disponibilité de substances à faible absorption pouvant être utilisées dans les miroirs UV. À ces longueurs d’onde, les effets quantiques sont importants dans l’interaction lumière-matière, ce qui rend très difficile la prévision et le contrôle précis des indices de réfraction et d’autres caractéristiques de chaque nouveau matériau. Cela complique la conception de nouveaux revêtements multicouches, où un contrôle nanométrique des épaisseurs de couche est requis.

Dans la nouvelle étude, l’équipe de Paloma López Reyes, de l’Institut d’optique CSIC, a caractérisé la rugosité des couches, la taille des grains et les problèmes de mélange entre les couches des revêtements en utilisant la microscopie à force atomique et la spectrométrie ionique. fluorure de lanthane. Les auteurs de l’étude l’ont comparé aux systèmes traditionnels au fluorure de magnésium et de lanthane. Les résultats montrent que les revêtements en aluminium et en lanthane présentent moins de défauts structurels.

En théorie, plus on utilise de bicouches, plus la réflectance augmente, mais la rugosité de surface et autres défauts augmentent également. Dans l’étude, il a été constaté que le nombre optimal était de 15 bicouches qui, avec les revêtements multicouches AlF3/LaF3, parvenaient à réfléchir 87 % de la lumière ultraviolette d’une longueur d’onde de 121,6 nanomètres, contre 75 % avec les revêtements multicouches de MgF2/LaF3.

Ces travaux jettent les bases de l’optimisation de la conception de miroirs et de filtres optiques ultraviolets qui seront essentiels pour la prochaine génération de grands télescopes spatiaux de la NASA, accélérant ainsi les progrès scientifiques dans cette partie cruciale mais encore sous-explorée du spectre électromagnétique.

Outre la nouvelle génération de télescopes spatiaux, d’autres domaines technologiques peuvent bénéficier des progrès des revêtements réfléchissants dans les ultraviolets lointains. Il s’agit notamment de l’optique laser excimer, qui est un type de laser ultraviolet. Les revêtements UV lointains peuvent également être utiles dans des domaines tels que les réacteurs de fusion thermonucléaire pour la caractérisation de l’hydrogène ainsi que dans l’industrie de fabrication de micropuces utilisant la lithographie.

L’étude réalisée par l’équipe de Paloma López Reyes s’intitule « Dévoilement des effets de la nanostructure de surface et en profondeur sur la réflectance optique dans les UV lointains de revêtements multicouches minces de fluorure ». Et cela a été publié dans la revue académique Applied Surface Science. (Source : Institut d’Optique / CSIC)