Berechnete Intensität des Wirbelkoronagraphen für eine einzelne punktförmige Quelle. Bildnachweis: Grover Swartzlander. klicken um zu vergrößern
"Einige Leute sagen, dass ich Dunkelheit studiere, nicht Optik", scherzt Grover Swartzlander.
Aber es ist eine Art Dunkelheit, die es Astronomen ermöglicht, das Licht zu sehen.
Swartzlander, Associate Professor am College of Optical Sciences der Universität von Arizona, entwickelt Geräte, die blendendes Sternenlicht blockieren und es Astronomen ermöglichen, Planeten in nahe gelegenen Sonnensystemen zu untersuchen.
Die Geräte können sich auch für die optische Mikroskopie als wertvoll erweisen und zum Schutz von Kamera- und Bildgebungssystemen vor Blendung verwendet werden.
Der Kern dieser Technologie ist eine „optische Wirbelmaske“ - ein dünner, winziger, transparenter Glaschip, der mit einer Reihe von Schritten in einem Muster ähnlich einer Wendeltreppe geätzt wird.
Wenn Licht auf die Maske trifft, verlangsamt es sich in den dickeren Schichten stärker als in den dünneren. Schließlich wird das Licht geteilt und phasenverschoben, so dass einige Wellen gegenüber anderen um 180 Grad phasenverschoben sind. Das Licht dreht sich durch die Maske wie Wind in einem Hurrikan. Wenn es das „Auge“ dieses optischen Twisters erreicht, heben sich Lichtwellen, die um 180 Grad phasenverschoben sind, gegenseitig auf und hinterlassen einen völlig dunklen zentralen Kern.
Swartzlander sagt, dies sei wie Licht, das den Gewinden eines Bolzens folgt. Die Steigung des optischen „Bolzens“ - der Abstand zwischen zwei benachbarten Gewinden - ist kritisch. "Wir schaffen etwas Besonderes, bei dem die Tonhöhe einer Änderung der Phase einer Lichtwellenlänge entsprechen sollte", erklärte er. "Was wir wollen, ist eine Maske, die im Wesentlichen diese Ebene oder das Blatt des einfallenden Lichts schneidet und es zu einem kontinuierlichen helikalen Strahl zusammenrollt."
"Was wir kürzlich gefunden haben, ist aus theoretischer Sicht erstaunlich, wie man die Socken auszieht", fügte er hinzu.
"Mathematisch ist es wunderschön."
Optische Wirbel sind keine neue Idee, bemerkte Swartzlander. Aber erst Mitte der neunziger Jahre konnten Wissenschaftler die dahinter stehende Physik studieren. Zu diesem Zeitpunkt ermöglichten Fortschritte bei computergenerierten Hologrammen und hochpräziser Lithographie eine solche Forschung.
Swartzlander und seine Doktoranden Gregory Foo und David Palacios erregten kürzlich die Aufmerksamkeit der Medien, als „Optics Letters“ ihren Artikel darüber veröffentlichten, wie optische Wirbelmasken für leistungsstarke Teleskope verwendet werden können. Die Masken könnten verwendet werden, um das Sternenlicht zu blockieren und es Astronomen zu ermöglichen, Licht von einem 10 Milliarden Mal dunkleren Planeten, der den Stern umkreist, direkt zu erfassen.
Dies könnte mit einem "optischen Wirbelkoronagraph" geschehen. In einem traditionellen Koronagraph wird eine undurchsichtige Scheibe verwendet, um das Licht eines Sterns zu blockieren. Astronomen, die in der Nähe heller Sterne nach schwachen Planeten suchen, können den traditionellen Koronagraph jedoch nicht verwenden, da die Blendung des Sternenlichts um die Scheibe herum gebeugt wird und das vom Planeten reflektierte Licht verdeckt.
"Jede kleine Menge gebeugten Lichts vom Stern wird das Signal vom Planeten immer noch überwältigen", erklärte Swartzlander. "Aber wenn die Spirale der Wirbelmaske genau mit der Mitte des Sterns übereinstimmt, erzeugt die Maske ein Schwarzes Loch, in dem kein Streulicht vorhanden ist und Sie einen Planeten zur Seite sehen würden."
Das UA-Team, zu dem auch Eric Christensen vom Lunar and Planetary Lab der UA gehörte, demonstrierte vor zwei Jahren einen Prototyp eines optischen Wirbelkoronagraphen am 60-Zoll-Mount-Lemmon-Teleskop des Steward Observatory. Sie konnten nicht nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems suchen, da das 60-Zoll-Teleskop nicht mit einer adaptiven Optik ausgestattet ist, die atmosphärische Turbulenzen korrigiert.
Stattdessen machte das Team Fotos von Saturn und seinen Ringen, um zu demonstrieren, wie einfach eine solche Maske mit dem vorhandenen Kamerasystem eines Teleskops verwendet werden kann. Ein Foto des Tests ist online auf der Website von Swartzlander unter http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Optische Wirbelkoronagraphien könnten für zukünftige Weltraumteleskope wie den Terrestrial Planet Finder (TPF) der NASA und die Darwin-Mission der Europäischen Weltraumorganisation wertvoll sein, so Swartzlander. Die TPF-Mission wird weltraumgestützte Teleskope verwenden, um die Größe, Temperatur und Platzierung von Planeten zu messen, die so klein wie die Erde in den bewohnbaren Gebieten entfernter Sonnensysteme sind.
"Wir beantragen Zuschüsse, um eine bessere Maske zu erstellen - um dieses Ding wirklich zu verbessern und eine bessere Optik zu erhalten", sagte Swartzlander. "Wir können dies jetzt im Labor für Laserstrahlen demonstrieren, aber wir brauchen eine wirklich hochwertige Maske, um näher an das heranzukommen, was für ein Teleskop benötigt wird."
Die große Herausforderung bestehe darin, einen Weg zu finden, die Maske zu ätzen, um im Kern eine „große, fette Null Licht“ zu erhalten, sagte er.
Swartzlander und seine Doktoranden führen numerische Simulationen durch, um den richtigen Abstand für Spiralmasken bei den gewünschten optischen Wellenlängen zu bestimmen. Swartzlander hat ein Patent für eine Maske angemeldet, die mehr als eine Wellenlänge oder Lichtfarbe abdeckt.
Das Forschungsbüro der US-Armee und die Proposition 301 des Bundesstaates Arizona unterstützen diese Forschung.
Das Army Research Office finanziert die Grundlagenforschung der optischen Wissenschaften, obwohl Swartzlanders Arbeit auch praktische Verteidigungsanwendungen hat.
Optische Wirbelmasken könnten auch in der Mikroskopie verwendet werden, um den Kontrast zwischen biologischen Geweben zu verbessern.
Originalquelle: UA-Pressemitteilung
