Berekende intensiteit van vortex-coronagraaf voor een enkele puntachtige bron. Afbeelding tegoed: Grover Swartzlander. Klik om te vergroten
'Sommige mensen zeggen dat ik duisternis bestudeer, geen optica', grapt Grover Swartzlander.
Maar het is een soort duisternis waardoor astronomen het licht kunnen zien.
Swartzlander, universitair hoofddocent aan het University of Arizona College of Optical Sciences, ontwikkelt apparaten die verblindend sterrenlicht blokkeren, waardoor astronomen planeten in nabijgelegen zonnestelsels kunnen bestuderen.
De apparaten kunnen ook waardevol zijn voor optische microscopie en worden gebruikt om camera- en beeldvormingssystemen te beschermen tegen verblinding.
De kern van deze technologie is een "optisch vortexmasker" - een dunne, kleine, transparante glazen chip die is geëtst met een reeks stappen in een patroon dat lijkt op een wenteltrap.
Wanneer licht het masker dood aan raakt, vertraagt het meer in de dikkere lagen dan in de dunnere. Uiteindelijk wordt het licht gesplitst en in fase verschoven, zodat sommige golven 180 graden uit fase zijn met andere. Het licht spint door het masker als wind in een orkaan. Wanneer het het "oog" van deze optische twister bereikt, heffen lichtgolven die 180 graden uit fase zijn elkaar op, waardoor er een volledig donkere centrale kern overblijft.
Swartzlander zegt dat dit als licht is dat de draden van een bout volgt. De steek van de optische 'bout' - de afstand tussen twee aangrenzende draden - is van cruciaal belang. "We creëren iets speciaals waarbij de toonhoogte moet overeenkomen met een verandering in de fase van één golflengte van licht", legde hij uit. "Wat we willen is een masker dat in wezen dit vlak, of vel, van invallend licht snijdt en het oprolt tot een continue spiraalvormige straal."
"Wat we recentelijk hebben gevonden, is geweldig vanuit theoretisch oogpunt", voegde hij eraan toe.
"Wiskundig is het prachtig."
Optische wervelingen zijn geen nieuw idee, merkte Swartzlander op. Maar het was pas halverwege de jaren negentig dat wetenschappers de fysica erachter konden bestuderen. Dat was het moment waarop de vooruitgang in door de computer gegenereerde hologrammen en zeer nauwkeurige lithografie dergelijk onderzoek mogelijk maakte.
Swartzlander en zijn afgestudeerde studenten, Gregory Foo en David Palacios, kregen onlangs media-aandacht toen "Optics Letters" hun artikel publiceerde over hoe optische vortexmaskers kunnen worden gebruikt op krachtige telescopen. De maskers zouden kunnen worden gebruikt om sterrenlicht te blokkeren en astronomen in staat te stellen direct licht te detecteren van een 10 miljard keer zo donkere planeet die om de ster draait.
Dit kan worden gedaan met een "optische vortex-coronagraaf". In een traditionele coronagraaf wordt een ondoorzichtige schijf gebruikt om het licht van een ster te blokkeren. Maar astronomen die op zoek zijn naar zwakke planeten in de buurt van heldere sterren, kunnen de traditionele coronagraaf niet gebruiken omdat verblinding door sterrenlicht rond de schijf diffuus licht verduistert dat wordt weerkaatst door de planeet.
"Elke kleine hoeveelheid diffuus licht van de ster zal het signaal van de planeet nog steeds overweldigen," legde Swartzlander uit. "Maar als de spiraal van het vortexmasker precies samenvalt met het midden van de ster, creëert het masker een zwart gat waar geen verstrooid licht is, en je zou een planeet aan de zijkant zien."
Het UA-team, waaronder ook Eric Christensen van het Lunar and Planetary Lab van UA, demonstreerde twee jaar geleden een prototype van een optische vortexcoronagraaf op de 60-inch Mount Lemmon-telescoop van Steward Observatory. Ze konden niet zoeken naar planeten buiten ons zonnestelsel omdat de 60-inch telescoop niet is uitgerust met adaptieve optiek die corrigeert voor atmosferische turbulentie.
In plaats daarvan nam het team foto's van Saturnus en zijn ringen om te laten zien hoe gemakkelijk zo'n masker kan worden gebruikt met het bestaande camerasysteem van een telescoop. Een foto van de test staat online op de website van Swartzlander, http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Optische vortex-coronagrafen kunnen waardevol zijn voor toekomstige ruimtetelescopen, zoals NASA's Terrestrial Planet Finder (TPF) en de Darwin-missie van de European Space Agency, merkte Swartzlander op. De TPF-missie zal ruimtetelescopen gebruiken om de grootte, temperatuur en plaatsing van planeten zo klein als de aarde te meten in de bewoonbare gebieden van verre zonnestelsels.
"We vragen beurzen aan om een beter masker te maken - om dit ding echt op te voeren om optiek van betere kwaliteit te krijgen," zei Swartzlander. "We kunnen dit nu in het laboratorium voor laserstralen demonstreren, maar we hebben een masker van echt goede kwaliteit nodig om dichter bij wat nodig is voor een telescoop te komen."
De grote uitdaging is het ontwikkelen van een manier om het masker te etsen om "een dikke nul licht" in de kern te krijgen, zei hij.
Swartzlander en zijn afgestudeerde studenten doen numerieke simulaties om de juiste toonhoogte voor helixmaskers bij de gewenste optische golflengten te bepalen. Swartzlander heeft patent aangevraagd op een masker dat meer dan één golflengte of lichtkleur bestrijkt.
Het US Army Research Office en de Proposition 301-fondsen van de staat Arizona ondersteunen dit onderzoek.
Het Army Research Office financiert fundamenteel onderzoek in optische wetenschappen, hoewel het werk van Swartzlander ook praktische verdedigingstoepassingen heeft.
Optische vortexmaskers kunnen ook worden gebruikt in microscopie om het contrast tussen biologische weefsels te versterken.
Oorspronkelijke bron: UA News Release
