単一の点のようなソースに対する渦コロナグラフの計算された強度。画像クレジット：Grover Swartzlander。拡大するにはクリックしてください
「私は光学ではなく暗闇を研究していると言う人もいます」とグローバー・スワーツランダーは冗談を言います。
しかし、それは天文学者が光を見ることを可能にする一種の暗闇です。
アリゾナ大学光学科学部の准教授であるスワルツランダーは、まばゆいばかりの星の光を遮り、天文学者が近くの太陽系の惑星を研究できるようにする装置を開発しています。
これらのデバイスは、光学顕微鏡にとっても価値があり、カメラやイメージングシステムをグレアから保護するために使用することもできます。
このテクノロジーの中核は、「光渦マスク」です。らせん階段に似たパターンで一連のステップでエッチングされた、薄く小さく透明なガラスチップです。
光がマスクに当たると、薄い層よりも厚い層の方が遅くなります。最終的に、光は分割されて位相シフトされるため、一部の波は他の波と180度位相がずれています。光はハリケーンの風のようにマスクを通り抜けます。この光ツイスターの「目」に到達すると、180度位相のずれた光波が互いに打ち消しあい、完全に暗い中心コアが残ります。
スワルツランダーは、これはボルトのねじ山をたどる光のようだと言います。光学的な「ボルト」のピッチ、つまり2つの隣接するスレッド間の距離は重要です。 「私たちは、ピッチが光の1つの波長の位相の変化に対応する特別なものを作成しています」と彼は説明しました。 「私たちが望んでいるのは、入射光のこの平面またはシートを本質的にカットし、それを連続したらせん状のビームに巻き上げるマスクです。」
「私たちが最近見つけたのは、理論的な観点から見れば驚くべきノックオフです」と彼は付け加えました。
「数学的には、美しいです。」
スワーツランダー氏は、光渦は新しい考えではないと述べた。しかし、科学者がその背後にある物理学を研究できるようになったのは、1990年代中頃まででした。コンピューター生成ホログラムと高精度リソグラフィーの進歩がそのような研究を可能にしたのはそのときです。
スワーツランダーと彼の大学院生、グレゴリー・フーとデビッド・パラシオスは最近、「オプティクス・レターズ」が光渦マスクが強力な望遠鏡でどのように使用されるかについて彼らの記事を発表したときにメディアの注目を集めました。マスクを使用して、星の光を遮断し、天文学者が100億倍の減光惑星からの光を直接検出できるようにすることができます。
これは、「光渦コロナグラフ」で行うことができます。従来のコロナグラフでは、不透明なディスクが星の光を遮るために使用されていました。しかし、明るい星の近くにあるかすかな惑星を探している天文学者は、星からのグレアが円盤の周りに回折し、惑星からの反射光を遮るため、従来のコロナグラフを使用できません。
「星からの少しの回折光でも、惑星からの信号を圧倒します」とスワーツランダーは説明しました。 「しかし、渦マスクのらせんが星の中心と正確に一致している場合、マスクは散乱光がない場所にブラックホールを作成し、側面に惑星が見えます。」
UAのLunar and Planetary LabのEric Christensenを含むUAチームは、2年前にSteward Observatoryの60インチマウントレモン望遠鏡でプロトタイプの光渦コロナグラフを実演しました。 60インチ望遠鏡には大気の乱気流を補正する補償光学が装備されていないため、太陽系外の惑星を探すことができませんでした。
代わりに、チームは土星とそのリングの写真を撮り、望遠鏡の既存のカメラシステムでこのようなマスクを簡単に使用できることを示しました。テストの写真は、SwartzlanderのWebサイトhttp://www.u.arizona.edu/~groversでオンラインになっています。
スワルツランダー氏は、光渦コロナグラフは、NASAの地球惑星探知機（TPF）や欧州宇宙機関のダーウィンミッションなど、将来の宇宙望遠鏡にとって価値があるかもしれないと述べた。 TPFミッションでは、宇宙ベースの望遠鏡を使用して、遠方の太陽系の居住可能な領域で地球と同じくらい小さい惑星のサイズ、温度、および配置を測定します。
「私たちは、より良いマスクを作るための助成金を申請しています。これをさらに引き上げて、より良い品質の光学素子を得るためです」 「レーザービームの実験室でこれを示すことができますが、望遠鏡に必要なものに近づけるためには、本当に高品質のマスクが必要です。」
大きな課題は、マスクをエッチングしてその中心に「光の大きな脂肪ゼロ」を得る方法を開発することだと彼は言った。
スワルツランダーと彼の大学院生は、数値シミュレーションを行って、望ましい光波長でのらせん状マスクの適切なピッチを決定しています。スワーツランダーは、複数の波長または光の色をカバーするマスクの特許を申請しています。
米陸軍研究局とアリゾナ州提案301基金がこの研究を支援しています。
陸軍研究局は基本的な光学科学研究に資金を提供していますが、スワーツランダーの研究には実用的な防衛アプリケーションもあります。
光渦マスクは、顕微鏡で生物組織間のコントラストを高めるために使用することもできます。
元のソース：UAニュースリリース
