Beregnet intensitet af virvelkorron afsnit for en enkelt punktlignende kilde. Billedkredit: Grover Swartzlander. Klik for at forstørre
”Nogle mennesker siger, at jeg studerer mørke, ikke optik,” spøger Grover Swartzlander.
Men det er en slags mørke, der tillader astronomer at se lyset.
Swartzlander, lektor ved University of Arizona College of Optical Sciences, udvikler enheder, der blokerer for blændende stjernelys, så astronomer kan studere planeter i nærliggende solsystemer.
Enhederne kan også vise sig værdifulde for optisk mikroskopi og bruges til at beskytte kamera og billedbehandlingssystemer mod blænding.
Kernen i denne teknologi er en “optisk virvelmaske” - en tynd, lille, gennemsigtig glaschip, der er ætset med en række trin i et mønster, der ligner en vindeltrappe.
Når lyset rammer masken død, sænker det mere i de tykkere lag end i tyndere. Til sidst deles lyset og faseforskydes, så nogle bølger er 180 grader ude af fase med andre. Lyset snurrer gennem masken som vind i en orkan. Når det når “øjet” på denne optiske twister, annullerer lysbølger, der er 180 grader ude af fase, hinanden, hvilket efterlader en helt mørk central kerne.
Swartzlander siger, at dette er som lys efter trådene på en bolt. Tonen for den optiske "bolt" - afstanden mellem to tilstødende tråde - er kritisk. ”Vi skaber noget specielt, hvor banen skal svare til en ændring i fasen med en bølgelængde af lys,” forklarede han. "Det, vi ønsker, er en maske, der i det væsentlige skærer dette plan eller ark af indkommende lys og krøller det op til en kontinuerlig spiralformet stråle."
”Det, vi har fundet for nylig, er knock-your-socks-off fantastisk set fra et teoretisk synspunkt,” tilføjede han.
"Matematisk er det smukt."
Optiske hvirvler er ikke en ny idé, bemærkede Swartzlander. Men det var først i midten af 1990'erne, at videnskabsmænd var i stand til at studere fysikken bag det. Det var, når fremskridt inden for computergenererede hologrammer og højpræcisionslitografi gjorde sådan forskning mulig.
Swartzlander og hans kandidatstuderende, Gregory Foo og David Palacios, fik for nylig medieopmerksomhed, da “Optics Letters” offentliggjorde deres artikel om, hvordan optiske virvelmasker kunne bruges på kraftige teleskoper. Maskerne kunne bruges til at blokere stjernelys og give astronomer mulighed for direkte at registrere lys fra en 10 milliarder gange svagere planet, der kredser rundt stjernen.
Dette kan gøres med et "optisk virvelkorron afsnit." I en traditionel bestemmelse bruges en uigennemsigtig disk til at blokere en stjerners lys. Men astronomer, der søger efter svage planeter i nærheden af lyse stjerner, kan ikke bruge det traditionelle punkt, fordi blænding fra stjernelys diffraherer omkring disken, som skjuver lys, der reflekteres fra planeten.
”Enhver lille mængde diffraheret lys fra stjernen vil stadig overvælde signalet fra planeten,” forklarede Swartzlander. ”Men hvis spiralen i virvelmasken falder nøjagtigt sammen med stjernens centrum, skaber masken et sort hul, hvor der ikke er spredt lys, og du kan se nogen planet til siden.”
UA-teamet, der også omfattede Eric Christensen fra UAs Lunar and Planetary Lab, demonstrerede en prototype optisk virvelkorrespondance på Steward Observatory's 60-tommer Mount Lemmon-teleskop for to år siden. De kunne ikke søge efter planeter uden for vores solsystem, fordi 60-tommer-teleskopet ikke er udstyret med adaptiv optik, der korrigerer for atmosfærisk turbulens.
I stedet tog teamet billeder af Saturn og dets ringe for at demonstrere, hvor let en sådan maske kunne bruges med et teleskops eksisterende kamerasystem. Et foto fra testen er online på Swartzlanders websted, http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Swartzlander bemærker, at optiske virvelkorrektioner kan være værdifulde for fremtidige rumteleskoper, såsom NASAs Terrestrial Planet Finder (TPF) og Det Europæiske Rumagenturs Darwin-mission. TPF-missionen vil bruge rumbaserede teleskoper til at måle størrelse, temperatur og placering af planeter så små som Jorden i de beboelige områder i fjerne solsystemer.
”Vi ansøger om tilskud til at gøre en bedre maske - for virkelig at rampe denne ting op for at få optik af bedre kvalitet, sagde Swartzlander. ”Vi kan demonstrere dette nu i laboratoriet for laserstråler, men vi har brug for en virkelig god maske for at komme tættere på, hvad der er nødvendigt for et teleskop.”
Den store udfordring er at udvikle en måde at etse masken på for at få ”en stor fedt nul lys” i kernen, sagde han.
Swartzlander og hans kandidatstuderende foretager numeriske simuleringer for at bestemme den rigtige tonehøjde for spiralformede masker ved de ønskede optiske bølgelængder. Swartzlander har indgivet patent på en maske, der dækker mere end en bølgelængde eller lysfarve.
U.S. Army Research Office og State of Arizona Proposition 301-midler støtter denne forskning.
Hærens Forskningskontor finansierer grundlæggende optisk videnskabelig forskning, selvom Swartzlanders arbejde også har praktiske forsvarsapplikationer.
Optiske virvelmasker kunne også anvendes i mikroskopi for at forøge kontrasten mellem biologisk væv.
Original kilde: UA News Release
