Intensidad calculada del coronógrafo de vórtice para una sola fuente puntual. Crédito de la imagen: Grover Swartzlander. Click para agrandar
"Algunas personas dicen que estudio oscuridad, no óptica", bromea Grover Swartzlander.
Pero es una especie de oscuridad que permitirá a los astrónomos ver la luz.
Swartzlander, profesor asociado de la Facultad de Ciencias Ópticas de la Universidad de Arizona, está desarrollando dispositivos que bloquean la deslumbrante luz de las estrellas, lo que permite a los astrónomos estudiar planetas en los sistemas solares cercanos.
Los dispositivos también pueden resultar valiosos para la microscopía óptica y usarse para proteger los sistemas de cámaras e imágenes del resplandor.
El núcleo de esta tecnología es una "máscara de vórtice óptico", un chip de vidrio delgado, pequeño y transparente que está grabado con una serie de pasos en un patrón similar a una escalera de caracol.
Cuando la luz golpea la máscara, se ralentiza más en las capas más gruesas que en las más delgadas. Finalmente, la luz se divide y cambia de fase, por lo que algunas ondas están desfasadas 180 grados con respecto a otras. La luz gira a través de la máscara como el viento en un huracán. Cuando llega al "ojo" de este tornado óptico, las ondas de luz que están 180 grados fuera de fase se cancelan entre sí, dejando un núcleo central totalmente oscuro.
Swartzlander dice que esto es como la luz que sigue los hilos de un tornillo. El paso del "perno" óptico (la distancia entre dos hilos adyacentes) es crítico. "Estamos creando algo especial donde el tono debería corresponder a un cambio en la fase de una longitud de onda de luz", explicó. "Lo que queremos es una máscara que esencialmente corte este plano u hoja de luz entrante y lo enrolle en un haz helicoidal continuo".
"Lo que hemos encontrado recientemente es asombroso desde el punto de vista teórico", agregó.
"Matemáticamente, es hermoso".
Los vórtices ópticos no son una idea nueva, señaló Swartzlander. Pero no fue hasta mediados de la década de 1990 que los científicos pudieron estudiar la física detrás de esto. Fue entonces cuando los avances en hologramas generados por computadora y la litografía de alta precisión hicieron posible tal investigación.
Swartzlander y sus estudiantes de posgrado, Gregory Foo y David Palacios, atrajeron la atención de los medios recientemente cuando "Optics Letters" publicó su artículo sobre cómo las máscaras de vórtice óptico podrían usarse en telescopios potentes. Las máscaras podrían usarse para bloquear la luz de las estrellas y permitir a los astrónomos detectar directamente la luz de un planeta de 10 mil millones de veces más tenue que orbita la estrella.
Esto podría hacerse con un "coronógrafo de vórtice óptico". En un coronógrafo tradicional, se usa un disco opaco para bloquear la luz de una estrella. Pero los astrónomos que buscan planetas débiles cerca de estrellas brillantes no pueden usar el coronógrafo tradicional porque el resplandor de la luz de las estrellas difracta alrededor del disco oscureciendo la luz reflejada desde el planeta.
"Cualquier pequeña cantidad de luz difractada de la estrella todavía va a abrumar la señal del planeta", explicó Swartzlander. "Pero si la espiral de la máscara de vórtice coincide exactamente con el centro de la estrella, la máscara crea un agujero negro donde no hay luz dispersa, y verías cualquier planeta a un lado".
El equipo de la UA, que también incluyó a Eric Christensen del Laboratorio Lunar y Planetario de la UA, demostró un prototipo de coronógrafo de vórtice óptico en el telescopio Mount Lemmon de 60 pulgadas del Observatorio Steward hace dos años. No pudieron buscar planetas fuera de nuestro sistema solar porque el telescopio de 60 pulgadas no está equipado con una óptica adaptativa que corrija la turbulencia atmosférica.
En cambio, el equipo tomó fotos de Saturno y sus anillos para demostrar con qué facilidad se podría usar una máscara de este tipo con el sistema de cámara existente de un telescopio. Una foto de la prueba está en línea en el sitio web de Swartzlander, http://www.u.arizona.edu/~grovers.
Los coronógrafos ópticos de vórtice podrían ser valiosos para futuros telescopios espaciales, como el Terrestrial Planet Finder (TPF) de la NASA y la misión Darwin de la Agencia Espacial Europea, señaló Swartzlander. La misión TPF utilizará telescopios espaciales para medir el tamaño, la temperatura y la ubicación de planetas tan pequeños como la Tierra en las áreas habitables de sistemas solares distantes.
"Estamos solicitando subvenciones para hacer una mejor máscara, para mejorar realmente esto y obtener una óptica de mejor calidad", dijo Swartzlander. "Podemos demostrar esto ahora en el laboratorio para rayos láser, pero necesitamos una máscara de muy buena calidad para acercarnos a lo que se necesita para un telescopio".
El gran desafío es desarrollar una forma de grabar la máscara para obtener "un gran cero de luz" en su núcleo, dijo.
Swartzlander y sus estudiantes de posgrado están haciendo simulaciones numéricas para determinar el tono adecuado para las máscaras helicoidales en las longitudes de onda ópticas deseadas. Swartzlander ha presentado una patente para una máscara que cubre más de una longitud de onda o color de luz.
La Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Y los fondos de la Proposición 301 del Estado de Arizona respaldan esta investigación.
La Oficina de Investigación del Ejército financia investigaciones básicas de ciencias ópticas, aunque el trabajo de Swartzlander también tiene aplicaciones prácticas de defensa.
Las máscaras ópticas de vórtice también podrían usarse en microscopía para mejorar el contraste entre los tejidos biológicos.
Fuente original: Comunicado de prensa de la UA
