En mikroskopisk 3D-bild av ett litet område av en "hylla" guldbelagd spegel, produceras genom diamantsvarvning. Den största egenskapsstorleken är cirka 30 nm hög och den genomsnittliga grovheten på ytan är cirka 10 nm. För en kommersiell produkt är detta ett tillfredsställande resultat för ESA att använda. Kvaliteten på denna spegelyta testades på ESA:s optiklaboratorium för att verifiera att dess prestanda och kvalitet var tillräcklig för användning i ett laserkommunikationsexperiment. De vertikala linjerna som går från topp till botten längs ytan är en förväntad egenskap hos den process som används för att tillverka spegeln. Den här spegeln installerades i ESA:s optiska markstation (OGS) på Kanarieöarna (Spanien) och användes framgångsrikt i den senaste testkampanjen med NASA för att verifiera prestandan hos deras nya laserterminal på rymdfarkosten Lunar Atmosphere och Dust Explorer (LADEE) som kretsar runt. månen. Kredit:ESA
Dessa bilder kan likna en planetarisk yta men visar faktiskt en annan typ av främmande miljö:en mikroskopisk vy över en skadad laserlins, ner till nanometernivå – en miljondels millimeter, mindre än de flesta enskilda bakterier.
ESA:s optiklaboratorium använder en kraftfull teknik för att zooma in på små områden, kartlägga var och en på några sekunder.
Med mikroskopet vilande på en luftkudde för att isolera det från yttre vibrationer, vitt ljus delas upp i två strålar:den ena lyser på målet medan den andra belyser en nästan perfekt spegel. De reflekterade strålarna rekombineras sedan. I ett slags högteknologisk "upptäck skillnaden", de minsta skillnaderna mellan de två strålarna registreras för att bygga upp motsvarigheten till konturlinjer på en karta, avslöjar avvikelser från referensspegelns form.
Mer typiskt används av den kommersiella halvledarindustrin, dess inbyggda programvara kan bearbeta resultat direkt över sitt lilla synfält - mindre än en kvadrat mm - eller flera bilder kan snabbt sys ihop till ett panorama.
Optiklaboratoriet, en av en serie tekniska laboratorier vid ESTEC:s tekniska center i Noordwijk, Nederländerna, använder detta "interferometriska mikroskop med vitt ljus" för att undersöka känslig optik för de minsta tecken på skada efter långa serier av laserskurar.
Laserinducerad kontaminering av en spegel mätt och visualiserad i 3D i nanometerskala. Den största funktionshöjden är cirka 60 nm och kontamineringsytan i bilden är cirka 0,15 x 0,12 mm. Denna bild visar misstänkt laserinducerad kontaminering på beläggningen av en spegelyta, resultatet av tester med hög effekt under simulerade rymdförhållanden. Testförhållandena återger de som hittades i Aladins ultravioletta laser för att flygas på ESA Aeolus-uppdraget. Denna unika satellit kommer för första gången att använda lidar – ljusdetektion och avstånd – teknik för att mäta vindhastigheter i den lägre atmosfären på global skala. Kredit:ESA
Lasrar är mångsidiga verktyg för rymden, användbar för en mängd olika instrument som radarliknande "lidarer", som kan känna av en planets atmosfär i 3D och noggrant mäta globala vindhastigheter.
Men kontinuerliga laseravfyrningar kan smälta och så småningom spricka optiska komponenter, eller oönskad kondens från små mängder restgaser kan byggas upp på optiska ytor. Båda kan allvarligt påverka laserprestanda och liv.
ESA försöker förstå dessa effekter och komma på sätt att undvika eller eliminera dem, kanske genom att minska utsläppen "utgasning" eller bedöma säkra laserenerginivåer.
Laser framkallade skador på beläggningen på en precisionsstrålesplittande spegel. Denna komponent är avsedd att användas i ett högeffektlasersystem. Den större delen till vänster är 0,14 mm lång och 0,06 mm bred och cirka 5 mikron djup. Detta är ett bra exempel på den typ av skada på en beläggning som kan uppstå på grund av upprepade pulser från en högeffektlaserstråle som interagerar med ytan. För att undvika denna typ av skada är den optiska beläggningens kvalitet, ytrenheten och lasermiljön måste vara helt fria från defekter eller föroreningar av något slag. Defekter inom eller på beläggningsytan på en submikroskopisk nivå är inte alltid möjliga att upptäcka efter beläggningstillverkning. Det enda sättet att verifiera är att testa under realistiska förhållanden och avgöra om någon skada uppstår. Kredit:ESA
En laserskjutning i rymden måste vara helt tillförlitlig under hela uppdragets livslängd – vanligtvis många år – eftersom den inte kan repareras eller servas efter uppskjutning. Detta kan endast garanteras genom omfattande tester på marken.
Detta specialiserade mikroskop kombineras ibland med tekniker från andra ESTEC-labb, som Atomic Force Microscope – som drar en nanometerskarp penna över ytor för att plocka ut mönstret av enskilda atomer – och röntgenfotoelektronspektrometern – som kan identifiera sammansättningen och strukturen av ytmaterial på bara några nanometers djup.
