Intensité calculée du coronographe vortex pour une source ponctuelle unique. Crédit d'image: Grover Swartzlander. Cliquez pour agrandir
"Certaines personnes disent que j'étudie l'obscurité, pas l'optique", plaisante Grover Swartzlander.
Mais c'est une sorte d'obscurité qui permettra aux astronomes de voir la lumière.
Swartzlander, professeur agrégé au University of Arizona College of Optical Sciences, développe des dispositifs qui bloquent la lumière éblouissante des étoiles, permettant aux astronomes d'étudier des planètes dans les systèmes solaires à proximité.
Les dispositifs peuvent également s'avérer précieux pour la microscopie optique et être utilisés pour protéger la caméra et les systèmes d'imagerie des reflets.
Le cœur de cette technologie est un «masque à vortex optique» - une fine puce de verre transparente et minuscule gravée d'une série d'étapes dans un motif semblable à un escalier en colimaçon.
Lorsque la lumière frappe le masque, elle ralentit davantage dans les couches plus épaisses que dans les couches plus minces. Finalement, la lumière est divisée et déphasée de sorte que certaines vagues sont déphasées de 180 degrés avec d'autres. La lumière tourne à travers le masque comme le vent dans un ouragan. Lorsqu'elle atteint «l'œil» de cette torsade optique, des ondes lumineuses déphasées de 180 degrés s'annulent, laissant un noyau central totalement sombre.
Swartzlander dit que c'est comme de la lumière suivant les fils d'un boulon. Le pas du «boulon» optique - la distance entre deux fils adjacents - est critique. "Nous créons quelque chose de spécial où la hauteur doit correspondre à un changement de phase d'une longueur d'onde de lumière", a-t-il expliqué. "Ce que nous voulons, c'est un masque qui coupe essentiellement ce plan, ou feuille, de lumière entrante et la recroqueville en un faisceau hélicoïdal continu."
"Ce que nous avons découvert récemment est incroyable, d'un point de vue théorique", a-t-il ajouté.
"Mathématiquement, c'est beau."
Les tourbillons optiques ne sont pas une idée nouvelle, a noté Swartzlander. Mais ce n'est qu'au milieu des années 1990 que les scientifiques ont pu étudier la physique derrière. C’est à ce moment-là que les progrès des hologrammes générés par ordinateur et de la lithographie de haute précision ont permis de telles recherches.
Swartzlander et ses étudiants diplômés, Gregory Foo et David Palacios, ont récemment attiré l'attention des médias lorsque «Optics Letters» a publié son article sur la façon dont les masques à tourbillon optiques pouvaient être utilisés sur des télescopes puissants. Les masques pourraient être utilisés pour bloquer la lumière des étoiles et permettre aux astronomes de détecter directement la lumière d'une planète de 10 milliards de fois plus faible en orbite autour de l'étoile.
Cela pourrait être fait avec un «coronographe à vortex optique». Dans un coronographe traditionnel, un disque opaque est utilisé pour bloquer la lumière d'une étoile. Mais les astronomes qui recherchent des planètes faibles près d'étoiles brillantes ne peuvent pas utiliser le coronographe traditionnel parce que l'éblouissement de la lumière des étoiles diffracte autour du disque obscurcissant la lumière réfléchie par la planète.
"Toute petite quantité de lumière diffractée de l'étoile va toujours submerger le signal de la planète", a expliqué Swartzlander. "Mais si la spirale du masque vortex coïncide exactement avec le centre de l'étoile, le masque crée un trou noir où il n'y a pas de lumière diffusée, et vous verriez une planète sur le côté."
L'équipe UA, qui comprenait également Eric Christensen du laboratoire lunaire et planétaire de l'UA, a fait la démonstration d'un prototype de coronographe à vortex optique sur le télescope Mount Lemmon de 60 pouces de l'observatoire Steward il y a deux ans. Ils ne pouvaient pas rechercher de planètes en dehors de notre système solaire parce que le télescope de 60 pouces n'est pas équipé d'une optique adaptative qui corrige la turbulence atmosphérique.
Au lieu de cela, l'équipe a pris des photos de Saturne et de ses anneaux pour montrer avec quelle facilité un tel masque pouvait être utilisé avec le système de caméra existant d'un télescope. Une photo du test est en ligne sur le site Web de Swartzlander, http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Les coronographes à vortex optique pourraient être précieux pour les futurs télescopes spatiaux, tels que le Terrestrial Planet Finder (TPF) de la NASA et la mission Darwin de l'Agence spatiale européenne, a noté Swartzlander. La mission TPF utilisera des télescopes spatiaux pour mesurer la taille, la température et l'emplacement des planètes aussi petites que la Terre dans les zones habitables des systèmes solaires éloignés.
"Nous demandons des subventions pour fabriquer un meilleur masque - pour vraiment accélérer cette chose pour obtenir une optique de meilleure qualité", a déclaré Swartzlander. «Nous pouvons le démontrer maintenant en laboratoire pour les faisceaux laser, mais nous avons besoin d'un masque de très bonne qualité pour nous rapprocher de ce qui est nécessaire pour un télescope.»
Le grand défi consiste à développer un moyen de graver le masque pour obtenir "un gros zéro de lumière" en son cœur, a-t-il déclaré.
Swartzlander et ses étudiants diplômés font des simulations numériques pour déterminer le pas approprié pour les masques hélicoïdaux aux longueurs d'onde optiques souhaitées. Swartzlander a déposé un brevet pour un masque qui couvre plus d'une longueur d'onde ou couleur de lumière.
Le bureau de recherche de l'armée américaine et les fonds de la proposition 301 de l'État de l'Arizona soutiennent cette recherche.
L’Army Research Office finance la recherche fondamentale en sciences optiques, bien que le travail de Swartzlander ait également des applications pratiques en matière de défense.
Des masques vortex optiques pourraient également être utilisés en microscopie pour améliorer le contraste entre les tissus biologiques.
Source d'origine: communiqué de presse UA
