Beräknad intensitet av virvelkorronondon för en enda punktliknande källa. Bildkredit: Grover Swartzlander. Klicka för att förstora
"Vissa säger att jag studerar mörker, inte optik," skämtar Grover Swartzlander.
Men det är ett slags mörker som gör att astronomer kan se ljuset.
Swartzlander, docent vid University of Arizona College of Optical Sciences, utvecklar apparater som blockerar bländande stjärnljus, vilket gör att astronomer kan studera planeter i närliggande solsystem.
Enheterna kan också visa sig värdefulla för optisk mikroskopi och kan användas för att skydda kamera och bildsystem från bländning.
Kärnan i denna teknik är en "optisk virvelmask" - ett tunt, litet, transparent glaschip som är etsat med en serie steg i ett mönster som liknar en spiraltrappa.
När ljuset träffar masken dödar det ner mer i de tjockare skikten än i tunnare. Så småningom delas ljuset och fasförskjuts så att vissa vågor är 180 grader ur fas med andra. Ljuset snurrar genom masken som vind i en orkan. När den når "ögat" på denna optiska twister, avbryter ljusvågor som är 180 grader ur fas varandra och lämnar en helt mörk central kärna.
Swartzlander säger att detta är som ljus efter en bult. Tonhöjden för den optiska "bulten" - avståndet mellan två angränsande trådar - är kritisk. "Vi skapar något speciellt där tonhöjden borde motsvara en förändring i fasen med en våglängd i ljus," förklarade han. "Det vi vill ha är en mask som väsentligen skär detta plan, eller arket, av inkommande ljus och krullar det upp till en kontinuerlig spiralstråle."
"Det vi hittat nyligen är knock-your-socks-off fantastiskt ur en teoretisk synvinkel," tillade han.
"Matematiskt är det vackert."
Optiska virvel är inte en ny idé, konstaterade Swartzlander. Men det var först i mitten av 1990-talet som forskare kunde studera fysiken bakom det. Det var när framstegen inom datorgenererade hologram och litografi med hög precision gjorde sådan forskning möjlig.
Swartzlander och hans doktorander, Gregory Foo och David Palacios, fick nyligen mediauppmärksamhet när “Optics Letters” publicerade sin artikel om hur optiska virvelmasker kan användas på kraftfulla teleskop. Maskerna skulle kunna användas för att blockera stjärnbelysning och låta astronomer direkt upptäcka ljus från en 10-miljarder gånger dimmare planet som kretsar runt stjärnan.
Detta kan göras med ett "optiskt virvelformat." I ett traditionellt stycke används en ogenomskinlig disk för att blockera en stjärns ljus. Men astronomer som letar efter svaga planeter nära ljusa stjärnor kan inte använda det traditionella kretsnittet eftersom bländning från stjärnbelysning diffraherar runt skivan som döljer ljus reflekterat från planeten.
"Varje liten mängd diffraherat ljus från stjärnan kommer fortfarande att överväldiga signalen från planeten," förklarade Swartzlander. "Men om virvelmaskens spiral sammanfaller exakt med mitten av stjärnan, skapar masken ett svart hål där det inte finns något spritt ljus, och du ser någon planet åt sidan."
UA-teamet, som också inkluderade Eric Christensen från UA: s Lunar and Planetary Lab, visade ett prototyp optiskt virvelkorrespondent på Steward Observatory's 60-tums Mount Lemmon-teleskop för två år sedan. De kunde inte söka efter planeter utanför vårt solsystem eftersom 60-tums teleskopet inte är utrustat med adaptiv optik som korrigerar för atmosfärisk turbulens.
Istället tog teamet bilder av Saturnus och dess ringar för att visa hur lätt en sådan mask kunde användas med ett teleskops befintliga kamerasystem. Ett foto från testet är online på Swartzlanders webbplats, http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Swartzlander konstaterade att optiska virvelkorronningar kan vara värdefulla för framtida rymdteleskop, till exempel NASA: s Terrestrial Planet Finder (TPF) och Europeiska rymdorganisationens Darwin-uppdrag. TPF-uppdraget kommer att använda rymdbaserade teleskop för att mäta storleken, temperaturen och placeringen av planeter som är lika små som jorden i de bebörliga områdena i avlägsna solsystem.
"Vi ansöker om bidrag för att göra en bättre mask - för att verkligen höja den här saken för att få optik av bättre kvalitet, sa Swartzlander. "Vi kan demonstrera detta nu i laboratoriet för laserstrålar, men vi behöver en riktigt god kvalitet för att komma närmare vad som behövs för ett teleskop."
Den stora utmaningen är att utveckla ett sätt att etsa masken för att få "en stor fet noll ljus" i sin kärna, sade han.
Swartzlander och hans doktorander gör numeriska simuleringar för att bestämma rätt tonhöjd för spiralmasker vid önskade optiska våglängder. Swartzlander har ansökt om en mask som täcker mer än en våglängd eller ljusfärg.
U.S. Army Research Office och State of Arizona Proposition 301-fonder stödjer denna forskning.
Army Research Office finansierar grundläggande optisk vetenskaplig forskning, även om Swartzlanders arbete också har praktiska försvarsapplikationer.
Optiska virvelmasker kan också användas i mikroskopi för att öka kontrasten mellan biologiska vävnader.
Originalkälla: UA News Release
