Beregnet intensitet av virvelkorrespons for en enkelt punktlignende kilde. Bildekreditt: Grover Swartzlander. Klikk for å forstørre
"Noen mennesker sier at jeg studerer mørke, ikke optikk," spøker Grover Swartzlander.
Men det er et slags mørke som lar astronomer se lyset.
Swartzlander, førsteamanuensis ved University of Arizona College of Optical Sciences, utvikler enheter som blokkerer blendende stjernelys, slik at astronomer kan studere planeter i nærliggende solsystemer.
Enhetene kan også vise seg å være verdifulle for optisk mikroskopi og brukes til å beskytte kamera og bildesystemer mot gjenskinn.
Kjernen i denne teknologien er en "optisk virvelmaske" - en tynn, liten, gjennomsiktig glassbrikke som er etset med en serie trinn i et mønster som ligner en spiraltrapp.
Når lys treffer masken død på, bremser den mer i de tykkere lagene enn i tynnere. Etter hvert blir lyset delt og faseforskyvet slik at noen bølger er 180 grader ute av fase med andre. Lyset snurrer gjennom masken som vind i en orkan. Når den når “øye” til denne optiske twisteren, avbryter lysbølger som er 180 grader ut av fasen hverandre, og etterlater en helt mørk sentral kjerne.
Swartzlander sier at dette er som lys som følger trådene til en bolt. Stigningen til den optiske "bolt" - avstanden mellom to tilstøtende tråder - er kritisk. "Vi lager noe spesielt der banen skal tilsvare en endring i fasen med en bølgelengde av lys," forklarte han. "Det vi ønsker er en maske som i det vesentlige kutter dette planet, eller arket, av innkommende lys og krøller det opp til en kontinuerlig spiralstråle."
"Det vi har funnet nylig, er knock-your-socks-off fantastisk fra et teoretisk synspunkt," la han til.
"Matematisk sett er det vakkert."
Optiske virvler er ikke en ny idé, bemerket Swartzlander. Men det var først på midten av 1990-tallet at forskere klarte å studere fysikken bak det. Det var da fremskritt innen datamaskingenererte hologrammer og høypresisjonslitografi gjorde slik forskning mulig.
Swartzlander og doktorgradsstudentene hans, Gregory Foo og David Palacios, fikk oppmerksomhet i media nylig da “Optics Letters” publiserte sin artikkel om hvordan optiske virvelmasker kan brukes på kraftige teleskoper. Maskene kan brukes til å blokkere stjernelys og la astronomer direkte oppdage lys fra en 10 milliarder ganger dimmere planet i bane rundt stjernen.
Dette kan gjøres med et "optisk virvelkorrespons." I et tradisjonelt avsnitt brukes en ugjennomsiktig disk for å blokkere en stjerners lys. Men astronomer som leter etter svake planeter i nærheten av lyse stjerner, kan ikke bruke det tradisjonelle bruksområdet fordi gjenskinn fra stjernelys diffrakserer rundt disken som skjuver lys reflektert fra planeten.
"Enhver liten mengde diffradert lys fra stjernen vil fremdeles overvelde signalet fra planeten," forklarte Swartzlander. "Men hvis virvelmaskenes spiral sammenfaller nøyaktig med midten av stjernen, skaper masken et svart hull der det ikke er spredt lys, og du vil se noen planet til siden."
UA-teamet, som også inkluderte Eric Christensen fra UAs Lunar and Planetary Lab, demonstrerte en prototype optisk virvelkorrespondanse på Steward Observatory's 60-tommers Mount Lemmon-teleskop for to år siden. De kunne ikke søke etter planeter utenfor solsystemet vårt fordi 60-tommers teleskopet ikke er utstyrt med adaptiv optikk som korrigerer for atmosfærisk turbulens.
I stedet tok teamet bilder av Saturn og ringene for å demonstrere hvor lett en slik maske kunne brukes med et teleskop sitt eksisterende kamerasystem. Et bilde fra testen er online på Swartzlanders nettsted, http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Swartzlander bemerket at optiske virvelkorresponser kan være verdifulle for fremtidige romteleskoper, som NASAs Terrestrial Planet Finder (TPF) og European Space Agencys Darwin-oppdrag. TPF-oppdraget vil bruke rombaserte teleskoper for å måle størrelse, temperatur og plassering av planeter så små som jorden i de beboelige områdene i fjerne solsystemer.
"Vi søker om tilskudd for å lage en bedre maske - for å virkelig rampe opp denne tingen for å få optikk av bedre kvalitet, sa Swartzlander. "Vi kan demonstrere dette nå i laboratoriet for laserstråler, men vi trenger en virkelig god kvalitet for å komme nærmere det som trengs for et teleskop."
Den store utfordringen er å utvikle en måte å etse masken på for å få "en stor fett null lys" i kjernen, sa han.
Swartzlander og hans doktorgradsstudenter gjør numeriske simuleringer for å bestemme riktig tonehøyde for spiralmasker med de ønskede optiske bølgelengdene. Swartzlander har søkt patent på en maske som dekker mer enn en bølgelengde eller lysfarge.
U.S. Army Research Office og State of Arizona Proposition 301-midler støtter denne forskningen.
Army Research Office finansierer grunnleggende forskning innen optiske vitenskaper, selv om Swartzlanders arbeid også har praktiske forsvarsapplikasjoner.
Optiske virvelmasker kan også brukes i mikroskopi for å styrke kontrasten mellom biologisk vev.
Originalkilde: UA News Release
