Расчетная интенсивность вихревого коронографа для одного точечного источника. Изображение предоставлено: Grover Swartzlander. нажмите, чтобы увеличить
«Некоторые люди говорят, что я изучаю тьму, а не оптику», - шутит Гровер Шварцландер.
Но это своего рода тьма, которая позволит астрономам увидеть свет.
Сварцлендер, адъюнкт-профессор Колледжа оптических наук Университета Аризоны, разрабатывает устройства, которые блокируют ослепительный звездный свет, позволяя астрономам изучать планеты в близлежащих солнечных системах.
Устройства также могут оказаться полезными для оптической микроскопии и использоваться для защиты камер и систем визуализации от бликов.
Ядром этой технологии является «оптическая вихревая маска» - тонкая, крошечная прозрачная стеклянная микросхема, которая вытравлена с помощью серии шагов, похожих на спиральную лестницу.
Когда свет падает на мертвую маску, он замедляется больше в более толстых слоях, чем в более тонких. В конце концов, свет разделяется и сдвигается по фазе, поэтому некоторые волны не совпадают по фазе с другими. Свет вращается сквозь маску, как ветер в урагане. Когда он достигает «глаза» этого оптического твистера, световые волны, которые на 180 градусов не в фазе, сглаживают друг друга, оставляя полностью темное центральное ядро.
Сварцлендер говорит, что это похоже на свет, идущий по резьбе болта. Шаг оптического «болта» - расстояние между двумя соседними нитями - имеет решающее значение. «Мы создаем нечто особенное, где высота звука должна соответствовать изменению фазы одной длины волны света», - пояснил он. «Нам нужна маска, которая по существу разрезает эту плоскость или лист падающего света и скручивает его в непрерывный спиральный луч».
«То, что мы недавно обнаружили, это потрясающе с теоретической точки зрения», - добавил он.
«Математически, это красиво».
Оптические вихри не новая идея, отметил Сварцлендер. Но только в середине 1990-х годов ученые смогли изучить физику, стоящую за этим. Именно тогда достижения в компьютерных голограммах и высокоточной литографии сделали возможным такое исследование.
Сварцлендер и его аспиранты, Грегори Фу и Дэвид Паласиос, недавно привлекли внимание средств массовой информации, когда «Оптические письма» опубликовали свою статью о том, как оптические вихревые маски могут использоваться на мощных телескопах. Маски могут быть использованы для блокирования звездного света и позволяют астрономам напрямую обнаруживать свет от 10-миллиардной диммерной планеты, вращающейся вокруг звезды.
Это можно сделать с помощью «оптического вихревого коронографа». В традиционном коронографе непрозрачный диск используется для блокирования света звезды. Но астрономы, которые ищут слабые планеты вблизи ярких звезд, не могут использовать традиционный коронограф, потому что блики от звездного света рассеивают вокруг диска, скрывая свет, отраженный от планеты.
«Любое небольшое количество дифрагированного света от звезды все еще будет подавлять сигнал с планеты», - объяснил Сварцлендер. «Но если спираль вихревой маски точно совпадает с центром звезды, маска создает черную дыру, где нет рассеянного света, и вы бы увидели любую планету в стороне».
Команда UA, в которую также входил Эрик Кристенсен из Лунной и Планетарной лаборатории UA, два года назад продемонстрировала прототип оптического вихревого коронографа на 60-дюймовом телескопе Steward Observatory на горе Леммон. Они не могли искать планеты вне нашей солнечной системы, потому что 60-дюймовый телескоп не оборудован адаптивной оптикой, которая корректирует атмосферную турбулентность.
Вместо этого команда сфотографировала Сатурн и его кольца, чтобы продемонстрировать, насколько легко можно использовать такую маску с существующей системой камер телескопа. Фотография с теста размещена на веб-сайте Swartzlander по адресу: http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Сварцлендер отметил, что оптические вихревые коронографы могут быть полезны для будущих космических телескопов, таких как НАСА НАСА и миссия Дарвина Европейского космического агентства. Миссия TPF будет использовать космические телескопы для измерения размеров, температуры и размещения планет, таких же маленьких, как Земля, в обитаемых районах отдаленных солнечных систем.
«Мы подаем заявку на гранты, чтобы сделать лучшую маску - чтобы действительно наращивать эту штуку, чтобы получить оптику лучшего качества, - сказал Сварцлендер. «Мы можем продемонстрировать это сейчас в лаборатории для лазерных лучей, но нам нужна действительно качественная маска, чтобы приблизиться к тому, что необходимо для телескопа».
По его словам, большой проблемой является разработка способа травления маски, чтобы получить «большой жирный ноль света».
Сварцлендер и его аспиранты проводят численное моделирование для определения правильного шага спиральных масок на желаемых оптических длинах волн. Swartzlander подал патент на маску, которая покрывает более чем одну длину волны или цвет света.
Исследовательский центр армии США и фонды штата 3 Аризона поддерживают это исследование.
Армейское научно-исследовательское бюро финансирует фундаментальные исследования в области оптических наук, хотя работа Сварцландера также имеет практические применения в области обороны.
Оптические вихревые маски также могут быть использованы в микроскопии для усиления контраста между биологическими тканями.
Источник: UA News Release
