Demonstration of simultaneous PIAA- coronagraphy and wavefront sensing using a single metasurface-based focal-plane optic
यह शोध पत्र एक हाइब्रिड मेटासरफेस-आधारित फोकल-प्लेन ऑप्टिक को प्रदर्शित करता है जो विभिन्न तरंगदैर्ध्य बैंडों में एक जटिल मास्क कोरोनग्राफ और एक ज़र्निक वेवफ्रंट सेंसर के रूप में एक साथ कार्य करता है, जो प्रयोगशाला मापों और MagAO-X उपकरण के साथ ऑन-स्काई अवलोकनों के माध्यम से अपने प्रदर्शन को प्रमाणित करता है।
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एक दूर स्थित तारे की परिक्रमा करते ग्रह को देखने के लिए, खगोलविदों को अत्यधिक चमक की समस्या को हल करना होता है। वह तारा एक अंधा कर देने वाली सर्चलाइट की तरह है, जबकि ग्रह उसके ठीक कुछ इंच की दूरी पर मंडराते एक धुंधले जुगनू जैसा है। पृथ्वी पर मौजूद सबसे शक्तिशाली दूरबीनें भी दोनों को अलग करने के लिए संघर्ष करती हैं क्योंकि वायुमंडल प्रकाश को चमकाता और विकृत करता है, और क्योंकि दूरबीन के अपने आंतरिक ऑप्टिक्स सूक्ष्म, अदृश्य त्रुटियां उत्पन्न करते हैं। इससे निपटने के लिए, वैज्ञानिक 'एक्सट्रीम एडेप्टिव ऑप्टिक्स' का उपयोग करते हैं, जो एक ऐसी प्रणाली है जो हजारों बार प्रति सेकंड विकृतियों को मापती है और उन्हें रद्द करने के लिए एक दर्पण को नया आकार देती है। हालांकि, एक निरंतर चुनौती बनी हुई है: इन विकृतियों को मापने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रकाश और ग्रह की तस्वीर लेने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रकाश, उपकरण के भीतर थोड़ा अलग पथ अपनाता है। यह अंतर प्रकाश का एक स्थिर, काल्पनिक धुंधलापन (घोस्टली हेज़) पैदा करता है जो आसानी से एक धुंधले ग्रह को छिपा सकता है। इस धुंध को साफ करने के लिए, शोधकर्ताओं को विज्ञान के प्रकाश के पथ में सीधे वेवफ्रंट त्रुटियों को महसूस करने की आवश्यकता होती है, लेकिन ऐसा करने के लिए आमतौर पर भारी, अलग उपकरणों की आवश्यकता होती है जो अधिक ऑप्टिकल पथ और अधिक त्रुटियां जोड़ देते हैं।
शोधकर्ताओं के एक दल ने दो महत्वपूर्ण कार्यों को एक ही, सूक्ष्म घटक में मिलाने का तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक विशेष ऑप्टिकल तत्व बनाया, जो एक सपाट सतह है जिसे मानव बाल की चौड़ाई से भी छोटे सूक्ष्म ढांचों के साथ पैटर्न किया गया है, जो एक वेवफ्रंट सेंसर और एक स्टारलाइट ब्लॉकर (तारे की रोशनी रोकने वाला) दोनों के रूप में कार्य करता है। यह उपकरण, जिसे 'मेटासरफेस' कहा जाता है, को इस तरह से डिज़ाइन किया गया है कि यह गुजरने वाले प्रकाश के रंग के आधार पर अलग व्यवहार करता है। लाल प्रकाश के एक विशिष्ट शेड पर, यह एक सेंसर के रूप में कार्य करता है, जो दूरबीन की दृष्टि को ठीक करने में मदद करने के लिए तारे के प्रकाश की विकृतियों को मापता है। लाल प्रकाश के थोड़े अलग शेड पर, यह एक कोरोनाग्राफ के रूप में कार्य करता है, जो एक मास्क है जो पास के धुंधले साथियों को प्रकट करने के लिए तारे की चमक को दबा देता है। इन भूमिकाओं को संयोजित करके, टीम ने दिखाया कि यह संभव है कि दूरबीन की त्रुटियों को बिना अतिरिक्त ऑप्टिकल पथ जोड़े महसूस और ठीक किया जाए, जो संभावित रूप से हमारे सौर मंडल के परे की दुनिया की स्पष्ट छवियां बनाने का मार्ग प्रशस्त कर सकता है।
शोधकर्ताओं ने इस हाइब्रिड डिवाइस का प्रोटोटाइप एक कांच के सबस्ट्रेट पर एक सामान्य इलेक्ट्रॉनिक सामग्री, 'अमॉर्फस सिलिकॉन' की एक परत का उपयोग करके बनाया। उन्होंने इस सतह पर सूक्ष्म स्तंभों (पिलर्स) को इस तरह इंजीनियर किया कि वे गुजरने वाली प्रकाश तरंगों के चरण (फेज) को बदल सकें। यह डिज़ाइन चतुर था: इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम के भीतर छोटी तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) पर, उपकरण प्रकाश को एक विशिष्ट मात्रा में स्थानांतरित करता है ताकि एक हस्तक्षेप पैटर्न (इंटरफेरेंस पैटर्न) बनाया जा सके जो वेवफ्रंट त्रुटियों को प्रकट करता है, जिससे यह एक 'ज़र्निक वेवफ्रंट सेंसर' के रूप में कार्य करता है। लंबी तरंग दैर्ध्य पर, वही सतह प्रकाश को एक अलग मात्रा में स्थानांतरित करती है, जिससे विनाशकारी व्यतिकरण (डिस्ट्रक्टिव इंटरफेरेंस) के माध्यम से तारे का प्रकाश स्वयं को रद्द कर देता है, जिससे यह एक जटिल-मास्क कोरोनाग्राफ के रूप में कार्य करता है। यह दोहरा स्वभाव दूरबीन को सेंसिंग और इमेजिंग दोनों के लिए एक ही फोकल पॉइंट का उपयोग करने की अनुमति देता है, जिससे प्रभावी रूप से वे "नॉन-कॉमन पाथ" त्रुटियां समाप्त हो जाती हैं जो आमतौर पर उच्च-कंट्रास्ट वाले उपकरणों को प्रभावित करती हैं।
इस अवधारणा का परीक्षण वास्तविक दुनिया में करने के लिए, टीम ने मेटासरफेस का निर्माण किया और इसे चिली के 'मैगेलन क्ले टेलीस्कोप' में लेकर आई। उन्होंने इस उपकरण को 'मैगाओ-एक्सएक्स' (MagAO-X) इंस्ट्रूमेंट में स्थापित किया, जो एक्सट्रीम एडेप्टिव ऑप्टिक्स के लिए डिज़ाइन किया गया एक उच्च-प्रदर्शन वाला सिस्टम है। सबसे पहले, उन्होंने टेलीस्कोप के भीतर एक आंतरिक प्रकाश स्रोत का उपयोग करके वेवफ्रंट त्रुटियों को महसूस करने की क्षमता का परीक्षण किया। उन्होंने ज्ञात विकृतियां पेश कीं और सिस्टम से उन्हें मापने के लिए कहा। परिणामों ने दिखाया कि मेटासरफेस ने वेवफ्रंट त्रुटियों को सटीक रूप से पुनर्गठित किया, और एक सैद्धांतिक आदर्श सेंसर के समान प्रदर्शन किया। इसने पुष्टि की कि सूक्ष्म संरचनाएं बिल्कुल वैसे ही काम कर रही थीं जैसा कि उन्हें डिज़ाइन किया गया था, जो प्रकाश की सूक्ष्म लहरों का पता लगाने के लिए आवश्यक फेज शिफ्ट प्रदान करती हैं।
इसके बाद, टीम ने कोरोनाग्राफिक प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए टेलीस्कोप को रात के आकाश की ओर मोड़ा। उन्होंने एक ट्रिपल-स्टार सिस्टम की ओर उपकरण को निर्देशित किया, जिसमें चमकदार प्राथमिक तारे को लक्ष्य के रूप में उपयोग किया गया ताकि उसे दबाया जा सके। लक्ष्य यह देखना था कि उपकरण पास के साथी तारों को प्रकट करने के लिए तारे के प्रकाश को कितनी अच्छी तरह से रोक पाता है। अवलोकन 1600 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर किए गए थे, एक ऐसा रंग जहाँ डिवाइस पूरी तरह से अनुकूलित नहीं था लेकिन फिर भी कार्यात्मक था। परिणामों ने लगभग दस में से एक का कंट्रास्ट दिखाया, जिसका अर्थ है कि मानक मास्क के बिना एक सामान्य छवि की तुलना में तारे के प्रकाश को दस गुना कम कर दिया गया था। हालांकि यह पृथ्वी जैसे ग्रहों को देखने के लिए अभी पर्याप्त गहरा नहीं है, लेकिन प्रदर्शन कंप्यूटर सिमुलेशन के अनुरूप था जिसमें निर्मित उपकरण के वास्तविक मापे गए गुणों का उपयोग किया गया था। लैब माप, कंप्यूटर मॉडल और आकाश के अवलोकनों के बीच यह सहमति सिद्ध करती है कि हाइब्रिड दृष्टिकोण काम करता है।
अध्ययन ने यह भी बताया कि तकनीक में कहाँ सुधार की आवश्यकता है। टीम ने पाया कि चिप पर मास्क का आकार टेलीस्कोप के विशिष्ट ऑप्टिकल लेआउट के लिए सैद्धांतिक इष्टतम (ऑप्टिमम) से थोड़ा बड़ा था। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि यदि उन्होंने मास्क को थोड़ा छोटा बनाया होता, तो कंट्रास्ट में लगभग दो क्रमों (ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड) का सुधार हो सकता था, जो सीधे एक्सोप्लैनेट इमेजिंग के लिए आवश्यक स्तरों के बहुत करीब होता। इसके अलावा, डिवाइस का परीक्षण एक ऐसी तरंग दैर्ध्य पर किया गया था जहाँ इसका प्रदर्शन अपने शिखर पर नहीं था; डिज़ाइन का उद्देश्य इसे थोड़े अलग रंगों पर सर्वोत्तम रूप से कार्य करने के लिए था। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि भविष्य के संस्करणों में मास्क के आकार और उन विशिष्ट तरंग दैर्ध्यों को लक्षित करने पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा जिन्हें यह लक्षित करता है, ताकि सेंसिंग और स्टारलाइट सप्रेशन क्षमताओं दोनों को अधिकतम किया जा सके।
यह कार्य अन्य दुनिया को खोजने के लिए आवश्यक जटिल उपकरणों को सरल बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह सिद्ध करके कि एक एकल, सपाट ऑप्टिकल तत्व एक साथ दो अलग-अलग, उच्च-परिशुद्धता वाले कार्यों को कर सकता है, शोधकर्ताओं ने एक दूरबीन में ऑप्टिकल घटकों की संख्या को कम करने का मार्ग दिखाया है। कम घटकों का अर्थ है प्रकाश के गलत होने के स्थानों की कमी, जो अगली पीढ़ी की दूरबीनों के लिए आवश्यक है जो हमारे आसपास के तारों के पास पृथ्वी के आकार के ग्रहों की छवि बनाने का प्रयास करेंगी। सफल ऑन-स्काई परीक्षण ने इस अवधारणा को व्यवहार्य सिद्ध किया है, जिससे यह एक सैद्धांतिक विचार से एक कामकाजी वास्तविकता की ओर बढ़ गया है जिसे भविष्य के मिशनों के लिए परिष्कृत और सुधारा जा सकता है।
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