Berechnete Intensität des Wirbelkoronagraphen für eine einzelne punktförmige Quelle. Bildnachweis: Grover Swartzlander. klicken um zu vergrößern
„Manche 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, außerordentlicher Professor am College of Optical Sciences der University of Arizona, entwickelt Geräte, die blendendes Sternenlicht blockieren und es Astronomen ermöglichen, Planeten in nahegelegenen Sonnensystemen zu untersuchen.
Die Geräte können sich auch für die optische Mikroskopie als wertvoll erweisen und verwendet werden, um Kamera- und Abbildungssysteme vor Blendung zu schützen.
Kernstück dieser Technologie ist eine „optische Wirbelmaske“ – ein dünner, winziger, transparenter Glaschip, der mit einer Reihe von Stufen in einem Muster ähnlich einer Wendeltreppe geätzt wird.
Wenn Licht direkt auf die Maske trifft, verlangsamt es sich in dickeren Schichten stärker als in dünneren. Schließlich wird das Licht gespalten und phasenverschoben, sodass einige Wellen zu anderen um 180 Grad phasenverschoben sind. Das Licht wirbelt durch die Maske wie Wind in einem Orkan. Wenn es das „Auge“ dieses optischen Twisters erreicht, heben sich um 180 Grad phasenverschobene Lichtwellen gegenseitig auf und hinterlassen einen völlig dunklen zentralen Kern.
Swartzlander sagt, dies sei wie Licht, das dem Gewinde einer Schraube folgt. Die Steigung des optischen „Bolzens“ – der Abstand zwischen zwei benachbarten Gewindegängen – ist entscheidend. „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 diese Ebene oder Schicht des einfallenden Lichts im Wesentlichen schneidet und zu einem kontinuierlichen spiralförmigen Strahl zusammenrollt.“
„Was wir vor kurzem herausgefunden haben, ist aus theoretischer Sicht erstaunlich, dass Sie sich die Socken aus den Socken hauen“, fügte er hinzu.
'Mathematisch ist es schön.'
Optische Wirbel sind keine neue Idee, bemerkte Swartzlander. Aber erst Mitte der 1990er Jahre konnten Wissenschaftler die Physik dahinter untersuchen. Damals machten Fortschritte bei computergenerierten Hologrammen und hochpräziser Lithographie solche Forschungen möglich.
Swartzlander und seine Doktoranden Gregory Foo und David Palacios erregten kürzlich die Aufmerksamkeit der Medien, als 'Optics Letters' ihren Artikel darüber veröffentlichte, wie optische Wirbelmasken in leistungsstarken Teleskopen verwendet werden könnten. Die Masken könnten verwendet werden, um Sternenlicht zu blockieren und es Astronomen zu ermöglichen, Licht von einem 10 Milliarden Mal schwächeren Planeten, der den Stern umkreist, direkt zu erkennen.
Dies könnte mit einem 'optischen Wirbelkoronagraphen' erfolgen. In einem traditionellen Koronagraphen wird eine undurchsichtige Scheibe verwendet, um das Licht eines Sterns zu blockieren. Aber Astronomen, die nach schwachen Planeten in der Nähe heller Sterne suchen, können den traditionellen Koronographen nicht verwenden, da die Blendung von Sternenlicht um die Scheibe herum das vom Planeten reflektierte Licht verdeckt.
„Jede kleine Menge gebeugten Lichts des Sterns wird immer noch das Signal des Planeten überwältigen“, erklärte Swartzlander. „Aber wenn die Spirale der Wirbelmaske genau mit der Mitte des Sterns übereinstimmt, erzeugt die Maske ein Schwarzes Loch, in dem es kein Streulicht gibt, und man würde seitlich jeden Planeten sehen.“
Das UA-Team, zu dem auch Eric Christensen vom Lunar and Planetary Lab von UA gehörte, demonstrierte vor zwei Jahren einen Prototyp eines optischen Wirbelkoronagraphen am 60-Zoll-Mount-Lemmon-Teleskop des Steward-Observatoriums. 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 Bilder von Saturn und seinen Ringen, um zu demonstrieren, wie einfach eine solche Maske mit dem vorhandenen Kamerasystem eines Teleskops verwendet werden kann. Ein Foto vom Test ist online auf Swartzlanders Website http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Optische Wirbelkoronagraphen könnten für zukünftige Weltraumteleskope wie den Terrestrial Planet Finder (TPF) der NASA und die Darwin-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) wertvoll sein, bemerkte Swartzlander. Die TPF-Mission wird weltraumgestützte Teleskope verwenden, um die Größe, Temperatur und Position von Planeten, die so klein wie die Erde sind, in den bewohnbaren Gebieten entfernter Sonnensysteme zu messen.
„Wir beantragen Zuschüsse, um eine bessere Maske herzustellen – um dieses Ding wirklich hochzufahren, um eine bessere Optik zu erhalten“, sagte Swartzlander. „Wir können das jetzt im Labor für Laserstrahlen demonstrieren, aber wir brauchen eine wirklich gute Maske, um näher an das heranzukommen, was für ein Teleskop benötigt wird.“
Die große Herausforderung besteht darin, einen Weg zu entwickeln, um die Maske zu ätzen, um in ihrem Kern „eine große fette Lichtnull“ zu erhalten, sagte er.
Swartzlander und seine Doktoranden führen numerische Simulationen durch, um die richtige Steigung für Helixmasken bei den gewünschten optischen Wellenlängen zu bestimmen. Swartzlander hat ein Patent für eine Maske angemeldet, die mehr als eine Wellenlänge oder Lichtfarbe abdeckt.
Das US Army Research Office und der State of Arizona Proposition 301-Fonds unterstützen diese Forschung.
Das Army Research Office finanziert die optische Grundlagenforschung, obwohl Swartzlanders Arbeit auch praktische Anwendungen in der Verteidigung hat.
Optische Wirbelmasken könnten auch in der Mikroskopie verwendet werden, um den Kontrast zwischen biologischen Geweben zu verstärken.
Originalquelle: UA-Pressemitteilung
