Astrophotonik

innoFSPEC

Dr. Kalaga Madhav

Gruppenleitung
Büro: LH/0-02
Telefon: +49 331 7499 390
kmadhavnothing@aip.de

Für die boden- und weltraumgestützte Astronomie der nächsten Generation entwickelt die Astrophotonik-Forschungsgruppe "Star-Light-Prozessoren" mit aktiven und passiven photonischen Komponenten in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie, Gießereien, astronomischen Observatorien und Universitäten.

Laufende Projekte

E-MARCOT

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MARCOT Pathfinder ist eine Mehrfachanordnung kombinierter Teleskope, die leicht erweitert und/oder zu sehr geringen Kosten repliziert werden kann.

MARCOT Pathfinder ist ein neues europäisches "segmentiertes Teleskop"-Konzept mit einer großen effektiven Öffnung, das zu sehr geringen Kosten gebaut wird. Es wird von CAHA entwickelt und von innoFSPEC-Astrophotonics am AIP unterstützt.

Kontakt : MARCOT

Konsortialpartner : CAHA, Instituto de Astrofisica de Andalucia, innoFSPEC

POCO

AstrophotonicsFC

Schlüsselfertiger, ultrastabiler (< 1 m/s) Astrokamm für die NIR- und VIS-Astronomie.

Der Potsdamer Frequenzkamm POCO (spanisch für "little bit") ist ein von innoFSPEC entworfenes und entwickeltes schlüsselfertiges Instrument, das speziell entwickelte Mikroringresonatoren zur Erzeugung ultrastabiler Kammlinien für die Kalibrierung astronomischer Spektrographen verwendet. POCO wird in einem 19"-Rackformat geliefert und ist leicht zu transportieren. Es wird derzeit so modifiziert, dass es im Fernbedienungsmodus für STELLA-SES funktioniert.

POCO hat derzeit eine Stabilität von < 1 m/s (Radialgeschwindigkeit). Mit astrophotonischen Komponenten ist die schwer fassbare Stabilität von 10 cm/s in greifbare Nähe gerückt.

Kontakt : Daniel Bodenmüller, Kalaga Madhav, Haydar Altuğ Yildirim

Kollaborateure : Georg-August-Universität

PAWS

AstrophotonicPAWS

Die NIR-AWG-Komponente mit R=20.000 und FSR=48nm kann sperrige Beugungsgitter ersetzen, die in herkömmlichen astronomischen Spektrographen verwendet werden.

Der Potsdam Arrayed Waveguide Spectrograph (PAWS) ist das erste Instrument seiner Art, das eine kompakte AWG-Komponente verwendet, die speziell für die photonenarme NIR-Astronomie entwickelt wurde. PAWS befindet sich derzeit in der Montage- und Integrationsphase. Die Zusammenarbeit mit einer etablierten Gießerei hat zu einem Gerät mit modernsten Leistungsmerkmalen geführt: hohe spektrale Auflösung, hoher Durchsatz, breiter freier Spektralbereich, hohe Polarisationsstabilität und hohe Temperaturstabilität. Das Konzept "Astronomy-on-Chip" könnte einen Paradigmenwechsel in der astronomischen Instrumentierung einleiten, da die leichten PLC-basierten Geräte gleichzeitig überlegene Funktionen und größere Robustheit bieten. Ein gehäustes Modul ermöglicht zudem ein effizientes Wärmemanagement und eine Abschirmung gegen externe Störungen.

PAWS kann mit POCO kalibriert werden.

PAWS ist ein erster Schritt in Richtung Weltraumanwendungen.

Kontakt : Kalaga Madhav, Alan Günther, Eloy Hernandes, Stella Vješnica

OH-SUPER

Ein ernsthaftes Problem für die bodengebundene NIR-Astronomie besteht im Vorhandensein einer großen Anzahl starker Hydroxyl (OH)-Emissionslinien, die ihren Ursprung in der Erdatmosphäre haben. Diese Emission beginnt bei etwa 610 nm und deckt fast das gesamte NIR bis zu 2,62 µm ab, wodurch die Spektroskopie vom Boden aus in diesem Wellenlängenbereich stark beeinträchtigt wird. Die maximale Intensität der OH-Emission liegt bei 1500 nm. Die Intensität ist um mehrere Größenordnungen größer als der extraterrestrische Hintergrund schwacher Sterne oder Galaxien und trägt daher erheblich zu den Streulichtsignalen im Spektrographen bei, was die Messung der schwachen extraterrestrischen Signale sehr schwierig macht. Ein weiteres Problem sind die schnellen Intensitätsschwankungen der OH-Emission, die die Subtraktion von Referenzspektren sehr schwierig oder sogar unmöglich machen.

Die hervorragende Empfindlichkeit des ELT (und anderer großer bodengebundener Teleskope) wird durch die starken atmosphärischen OH-Emissionslinien stark beeinträchtigt, so dass die enormen Investitionen für die nächste Generation von Großteleskopen für die Spektroskopie mit niedriger bis mittlerer Auflösung im NIR nahezu nutzlos sind. Dieses Problem ist besonders akut bei Instrumenten wie ELT-MOS/MOSAIC.

OH-Unterdrückungs-Spektrographen, die mit speziellen Masken und zusätzlichen optischen Komponenten gebaut werden, erzeugen überschüssiges Streulicht innerhalb des optischen Systems und wirken so der beabsichtigten Filterwirkung entgegen. FBGs bieten hervorragende Eigenschaften, um die OH-Emissionslinien herauszufiltern. Die Verwendung eines Arrays aus einfachen FBGs führt jedoch zu hohen Verlusten. Eine Erweiterung der einfachen FBGs sind aperiodische FBGs (AFBGs). Ein einzelnes AFBG kann bis zu 100 Kerben aufweisen, um die OH-Emissionslinien im NIR herauszufiltern.

AFBG OH-Emissionsfilter können mit drei verschiedenen Methoden hergestellt werden:

  1. Komplexe Phasenmasken (CPM): Bei innoFSPEC-Astrophotonics wurden in Zusammenarbeit mit der Friedrich-Schiller-Universität und dem Fraunhofer IOF, Jena, die weltweit ersten CPMs für die Astronomie hergestellt.
  2. Zeilenweise Beschriftung mit einem ultraschnellen Femtosekundenlaser: Für innoFSPEC-Astrophotonics wurde ein vollautomatisches ULI-System entwickelt, mit dem komplexe Strukturen in Glassubstraten oder Fasern hergestellt werden können.
  3. Hochentwickeltes Modifiziertes Elliptisches Talbot-Interferometer (METI) mit "laufendem Licht": Für eine flexible Fertigung wurde die METI-Fertigungsanlage entwickelt, eine einzigartige Anlage, die durch die strategische Investition des BMBF unterstützt wird. METI verfügt über speziell angefertigte Großraumübersetzungen, bei denen alle 6 Achsen durch ein Laserinterferometer mit geschlossenem Regelkreis und ein Computer-Faserverbindungssystem für Umgebungstemperatur, Druck und Vibration stabilisiert werden.

Kollaborateure : IAP, Friedrich Schiller University, Jena, Fraunhofer IOF, Jena

Partner : University of Sydney, Macquarie University

Kontakt : Aashia Rahman, Kalaga Madhav

PI : Martin Roth

Telescope Beam Combiners

Der Nobelpreis für Physik 2020 läutet eine neue Ära der Astronomie mit astrophotonischen Komponenten ein. Das Herzstück des ESO GRAVITY-Instruments ist eine integrierte 2D-Optik, die das Licht von vier Teleskopen im K-Band kombiniert. Die diskreten 3D-Strahlkombinierer (DBC), die von der Astrophotonik-Gruppe von innoFSPEC entworfen und entwickelt wurden, weisen keine Komplexität auf und haben die einfachste Geometrie aller anderen Arten von Strahlkombinierern. Der DBC ermöglicht eine unkomplizierte Skalierung auf größere Teleskopanordnungen, indem einfach die Anzahl der Wellenleiter im Array erweitert wird. 

Mit der neuen hochmodernen vollautomatischen Ultrakurzpuls-Laserbeschriftungsanlage der Astrophotonik-Gruppe können komplexe 3D-Wellenleiterstrukturen in Glas eingeschrieben werden.Die erste Generation von 3D-Strahlenkombinatoren wurde 2018 am William Herschel Telescope in La Palma, Spanien, erfolgreich getestet.

Ein 3D-K-Band-Strahlenkombinierer wurde in Zusammenarbeit mit der Herriot Watt University, der University of Köln und dem NASA Ames Research Center entwickelt und soll im November 2021 auf dem CHARA Array am Himmel getestet werden.

Kollaborateure: Politecnico di Milano, LESIA, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris, GEPI, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Durham University, STFC Rutherford Appleton Lab, Physikalisches Institut Uni Köln

Kontakt : Abani Nayak, Aline Dinkelakar, Kalaga Madhav

Adaptive Optics für Astrophotonik

AstrophotonicsAO

Die effiziente Einkopplung von Sternenlicht in die photonischen Einmodenkomponenten wird durch atmosphärische Turbulenzen behindert. Es wurde ein LOAO-System (SC) entwickelt, das den traditionellen Ansatz der AO-Korrektur zusammen mit photonischen Laternen (PLs) mit wenigen Moden verwendet.

Atmosphärische Turbulenzen sind der wichtigste limitierende Faktor für die Erzielung hochauflösender Bilder mit bodengebundenen Teleskopen mit einer Öffnung. Lokale, kleinräumige (von Zentimetern bis Metern) Schwankungen der Luftdichte beeinträchtigen die räumliche Kohärenz des von den Sternen eintreffenden Lichts. Infolgedessen kann ein Teleskop das Licht auf einen Punkt fokussieren, der in der Regel um ein Vielfaches (bei extrem großen Teleskopen bis zum ~100-fachen) größer ist als die theoretische Fokussierungsfähigkeit des Teleskops selbst (Beugungsgrenze). Dieser Effekt schränkt den weit verbreiteten Einsatz kompakter astronomischer Instrumente auf der Grundlage integrierter optischer Komponenten ein, die Licht mit hoher räumlicher Kohärenz benötigen, um effizient in Singlemode-Wellenleiter einzukoppeln. Bisher wurden zwei mögliche Ansätze identifiziert, um die Kopplungseffizienz von Sternenlicht in integrierte optische Komponenten zu verbessern.

Der direkteste Ansatz besteht darin, die Verzerrung der räumlichen Kohärenz des Sternenlichts aktiv zu korrigieren. Dies ist bereits dank der adaptiven Optik möglich, einer Technik, die einen verformbaren Spiegel verwendet, um Verzerrungen in Echtzeit zu korrigieren und das Sternenlicht auf die Beugungsgrenze zu fokussieren. Dieser Ansatz ist jedoch sehr teuer und komplex, insbesondere bei sehr großen Teleskopen. Eine photonische Lösung für dieses Problem ist die Verwendung einer photonischen Laterne, die das von einer Multimode-Faser im Brennpunkt des Teleskops gesammelte Licht auf mehrere Singlemode-Fasern verteilt.

Kontakt : Kalaga Madhav, Momen Diab

Photonic Lanterns

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Eine 19-faserige photonische Laterne (PL), die mit einem SCAO-korrigierten Eingang gespeist wird, kann in einen Standard-Glasfaser-FC-Anschluss eingebaut werden, um einen beugungsbegrenzten Spalt zu bilden, der die Größe astronomischer Spektrographen verringern kann. Die Singlemode-Ausgänge können auch zur Einführung von OH-Emissionsfiltern auf der Basis von Faser-Bragg-Gittern (FBG) verwendet werden, bevor das Sternenlicht in Spektrographen eingespeist wird.

Photonische Laternen (PL) sind photonische (oder faseroptische) Vorrichtungen, die das von einem großen Multimode-Wellenleiter (oder einer optischen Faser) gesammelte Licht auf mehrere nahezu beugungsbegrenzte Wellenleiter (oder Einmodenfasern) verteilen. In der Astrophotonik sind solche Vorrichtungen von entscheidender Bedeutung, um das Sternenlicht von einem Teleskop effizient in photonische Komponenten einzukoppeln.

Partner : University of Bath

Kontakt : John Davenport, Lu Gao, Kalaga Madhav

Letzte Aktualisierung: 20. Oktober 2021