Interferometrisk mikroskop afbilder nano-verdenen

Et mikroskopisk 3D-billede af et lille område af et 'hyldevare' guldbelagt spejl, fremstillet ved diamantdrejning. Den største trækstørrelse er omkring 30 nm høj, og overfladens gennemsnitlige ruhed er omkring 10 nm. For et kommercielt produkt er dette et tilfredsstillende resultat for ESA at udnytte. Kvaliteten af denne spejloverflade blev testet på ESAs optiklaboratorium for at verificere, at dens ydeevne og kvalitet var tilstrækkelig til brug i et laserkommunikationseksperiment. De lodrette linjer, der løber fra top til bund langs overfladen, er en forventet karakteristik af den proces, der bruges til at fremstille spejlet. Dette spejl blev installeret i ESA's optiske jordstation (OGS) på De Kanariske Øer (Spanien) og med succes brugt i den nylige testkampagne med NASA til at verificere ydeevnen af deres nye laserterminal på rumfartøjet Lunar Atmosphere og Dust Explorer (LADEE) i kredsløb månen. Kredit:ESA

Disse billeder kan ligne en planetarisk overflade, men viser faktisk en anden form for fremmed miljø:et mikroskopisk billede på tværs af en beskadiget laserlinse, ned til nanometerniveau – en milliontedel af en millimeter, mindre end de fleste individuelle bakterier.

ESA's optiklaboratorium bruger en kraftfuld teknik til at zoome ind på små områder, kortlægning af hver enkelt på få sekunder.

Med mikroskopet hvilende på en pude af luft for at isolere det fra eksterne vibrationer, hvidt lys er opdelt i to stråler:den ene lyser på målet, mens den anden oplyser et næsten perfekt spejl. De reflekterede stråler kombineres derefter igen. I en slags højteknologisk 'spot forskellen', de mindste forskelle mellem de to stråler registreres for at opbygge ækvivalenten til konturlinjer på et kort, afsløre afvigelser fra referencespejlets form.

Mere typisk brugt af den kommercielle halvlederindustri, dens indbyggede software kan behandle resultater med det samme på tværs af dets lille synsfelt – mindre end en kvadrat mm – eller flere billeder kan hurtigt sættes sammen til et panorama.

Optiklaboratoriet, et af en række tekniske laboratorier på agenturets tekniske center ESTEC i Noordwijk, Holland, bruger dette 'interferometriske hvidlysmikroskop' til at undersøge sart optik for de mindste tegn på skade efter lange serier af laserudbrud.

Laserinduceret forurening af et spejl målt og visualiseret i 3D på nanometerskalaen. Den største trækhøjde er omkring 60 nm, og arealet af forureningen på billedet er omkring 0,15 x 0,12 mm. Dette billede viser mistanke om laserinduceret forurening på belægningen af en spejloverflade, som følge af test med høj effekt under simulerede rumforhold. Testbetingelserne gengiver dem, der findes i Aladin ultraviolette laser, der skal flyves på ESA Aeolus-missionen. Denne unikke satellit vil bruge lidar – lysdetektion og rækkevidde – teknikken til at måle vindhastigheder i den lavere atmosfære på global skala for første gang. Kredit:ESA

Lasere er alsidige værktøjer til plads, nyttig til en række instrumenter såsom radarlignende 'lidarer', som kan fornemme en planets atmosfære i 3D og nøjagtigt måle globale vindhastigheder.

Men kontinuerlige laseraffyringer kan smelte og til sidst knække optiske komponenter, eller uønsket kondens fra små mængder restgasser kan opbygges på optiske overflader. Begge kan alvorligt påvirke laserens ydeevne og levetid.

ESA søger at forstå disse virkninger og finde på måder at undgå eller eliminere dem, måske ved at reducere "udgassing"-emissioner eller vurdere sikre laserenerginiveauer.

Laserinduceret skade på belægningen af et præcisionsstråleopdelingsspejl. Denne komponent er beregnet til brug i et højeffektlasersystem. Den større funktion til venstre er 0,14 mm lang og 0,06 mm bred og omkring 5 mikron dyb. Dette er et godt eksempel på den type skade på en belægning, der kan opstå på grund af gentagne impulser fra en højeffekt laserstråle, der interagerer med overfladen. For at undgå denne type skader, er den optiske belægningskvalitet, overfladerenheden og lasermiljøet skal være fuldstændig fri for defekter eller urenheder af enhver art. Defekter i eller på belægningsoverfladen på et submikroskopisk niveau er ikke altid mulige at påvise efter belægningsfremstilling. Den eneste måde at verificere er at teste under realistiske forhold og afgøre, om der opstår skade. Kredit:ESA

En laserskydning i rummet skal være fuldstændig pålidelig i hele sin missions levetid – typisk mange år – fordi den ikke kan repareres eller serviceres efter opsendelsen. Dette kan kun garanteres ved omfattende test på jorden.

Dette specialiserede mikroskop kombineres nogle gange med teknikker fra andre ESTEC-laboratorier, såsom Atomic Force Microscope – som trækker en nanometerskarp stylus hen over overflader for at udvælge mønstret af individuelle atomer – og røntgenfotoelektronspektrometeret – som kan identificere sammensætningen og strukturen af overfladematerialer blot et par nanometers dybe.

Sidste artikelBedre katalysator for solcelledrevet brintproduktion

Næste artikelElektricitet fra spildvarme med mere effektive materialer