Obliczona intensywność koronografu wirowego dla pojedynczego źródła punktowego. Zdjęcie: Grover Swartzlander. Kliknij, aby powiększyć
„Niektórzy mówią, że badam ciemność, a nie optykę”, żartuje Grover Swartzlander.
Ale to rodzaj ciemności, która pozwoli astronomom zobaczyć światło.
Swartzlander, profesor nadzwyczajny na University of Arizona College of Optical Sciences, opracowuje urządzenia, które blokują oślepiające światło gwiazd, umożliwiając astronomom badanie planet w pobliskich układach słonecznych.
Urządzenia te mogą również okazać się cenne dla mikroskopii optycznej i mogą być stosowane do ochrony aparatu i systemów obrazowania przed olśnieniem.
Rdzeniem tej technologii jest „optyczna maska wirowa” - cienki, niewielki, przezroczysty szklany układ, który jest wytrawiany szeregiem kroków we wzorze podobnym do spiralnych schodów.
Kiedy światło uderza martwą maskę, zwalnia bardziej w grubszych warstwach niż w cieńszych. W końcu światło zostaje podzielone i przesunięte fazowo, więc niektóre fale są o 180 stopni poza fazą w stosunku do innych. Światło wiruje przez maskę jak wiatr w huraganie. Kiedy dociera do „oka” tego skręcarki optycznej, fale świetlne o 180 stopni poza fazą znoszą się nawzajem, pozostawiając całkowicie ciemny centralny rdzeń.
Swartzlander mówi, że to jak światło podążające za gwintem śruby. Skok optycznej „śruby” - odległość między dwoma sąsiednimi gwintami - ma kluczowe znaczenie. „Tworzymy coś wyjątkowego, w którym skok powinien odpowiadać zmianie fazy jednej długości fali światła” - wyjaśnił. „Chcemy maski, która zasadniczo przecina tę płaszczyznę lub arkusz przychodzącego światła i zwija ją w ciągłą spiralną wiązkę”.
„To, co ostatnio odkryliśmy, jest niesamowite z teoretycznego punktu widzenia”, dodał.
„Matematycznie jest piękny”.
Swartzlander zauważył, że wiry optyczne nie są nowym pomysłem. Ale dopiero w połowie lat 90. naukowcy byli w stanie zbadać stojącą za tym fizykę. Wtedy postęp w generowanych komputerowo hologramach i precyzyjnej litografii umożliwił takie badania.
Swartzlander i jego doktoranci, Gregory Foo i David Palacios, zwrócił ostatnio uwagę mediów, gdy „Optics Letters” opublikował swój artykuł o tym, jak optyczne maski wirowe mogą być stosowane w potężnych teleskopach. Maski można wykorzystać do blokowania światła gwiazd i umożliwienia astronomom bezpośredniego wykrywania światła z planety o ciemności 10 miliardów razy krążącej wokół gwiazdy.
Można to zrobić za pomocą „optycznego koronografu wirowego”. W tradycyjnym koronografie nieprzezroczysty dysk służy do blokowania światła gwiazdy. Ale astronomowie, którzy szukają słabych planet w pobliżu jasnych gwiazd, nie mogą używać tradycyjnego koronografu, ponieważ blask światła gwiazd dyfrakuje wokół dysku, przesłaniając światło odbite od planety.
„Każda niewielka ilość ugiętego światła z gwiazdy wciąż przytłacza sygnał z planety” - wyjaśnił Swartzlander. „Ale jeśli spirala maski wirowej pokrywa się dokładnie ze środkiem gwiazdy, maska tworzy czarną dziurę, w której nie ma rozproszonego światła, i widziałbyś dowolną planetę z boku”.
Zespół UA, w skład którego wchodził także Eric Christensen z UA Lunar and Planetary Lab, zademonstrował prototypowy koronowy wir optyczny w 60-calowym teleskopie Mount Lemmon Obserwatorium Stewarda. Nie mogli szukać planet poza naszym Układem Słonecznym, ponieważ 60-calowy teleskop nie jest wyposażony w adaptacyjną optykę, która koryguje turbulencje atmosferyczne.
Zamiast tego zespół wykonał zdjęcia Saturna i jego pierścieni, aby zademonstrować, jak łatwo można zastosować taką maskę w istniejącym systemie kamer teleskopu. Zdjęcie z testu jest dostępne online na stronie internetowej Swartzlander, http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Zauważył Swartzlander, że koronografy wirów optycznych mogą być cenne dla przyszłych teleskopów kosmicznych, takich jak NASA - Terrestrial Planet Finder (TPF) i misja Darwin Europejskiej Agencji Kosmicznej. Misja TPF będzie wykorzystywać teleskopy kosmiczne do mierzenia wielkości, temperatury i umiejscowienia planet tak małych jak Ziemia w zamieszkałych obszarach odległych układów słonecznych.
„Ubiegamy się o granty, aby stworzyć lepszą maskę - aby naprawdę ulepszyć tę rzecz, aby uzyskać lepszą jakość optyki, powiedział Swartzlander. „Możemy to teraz zademonstrować w laboratorium dla wiązek laserowych, ale potrzebujemy naprawdę dobrej jakości maski, aby zbliżyć się do tego, co jest potrzebne do teleskopu”.
Powiedział, że dużym wyzwaniem jest opracowanie sposobu wytrawienia maski, aby uzyskać „duże tłuste zero światła” w jej rdzeniu.
Swartzlander i jego doktoranci przeprowadzają symulacje numeryczne w celu określenia właściwego skoku dla masek spiralnych o pożądanych długościach fal optycznych. Swartzlander złożył patent na maskę, która pokrywa więcej niż jedną długość fali lub kolor światła.
Biuro Badań Armii USA i fundusze State Propion 301 wspierają te badania.
Army Research Office finansuje podstawowe badania w dziedzinie nauk optycznych, chociaż prace Swartzlandera mają również praktyczne zastosowania w obronie.
Optyczne maski wirowe można również zastosować w mikroskopii w celu zwiększenia kontrastu między tkankami biologicznymi.
Oryginalne źródło: UA News Release
