Diseño y desarrollo prototipo de un coronógrafo digital adaptativo de vórtices ópticos
Fecha
2020
Autores
Cadavid Muñoz, Juan José
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
Descripción
La exploración exoplanetaria es un campo de gran interés científico que busca conocer la vida por fuera de nuestro sistema solar. Utilizando diversas técnicas desde la espectroscopía, óptica y astrofísica se deducen propiedades de cuerpos celestes para determinar posibles condiciones de vida. Una de estas técnicas que aporta a este campo científico, es la observación directa de los cuerpos estelares a través de diversas técnicas como la coronografía, la cual utiliza sistemas de formación de imagen de alto contraste para la observación selectiva de la luz proveniente de cuerpos de hasta 10−14 órdenes de magnitud más tenues, como los planetas que orbitan en los sistemas extrasolares. En éste trabajo se busca diseñar, implementar y evaluar un sistema coronográfico prototipo que se propone en un alcance de laboratorio, para estudiar las propiedades particulares de una de las técnicas de este campo de estudio, como lo es la coronografía de vórtices ópticos a partir de la modulación digital de fase. Debido al reciente interés científico en el uso de las tecnologías de cristal líquido en el control de las propiedades ópticas en la coronografía de Lyot de fase, se plantea la necesidad de entender las características de las máscaras de fase de punto focal, para determinar qué posible configuración entre la carga topológica y niveles de discretización son óptimos para la reducción energética de la fuga estelar bajo condiciones de iluminación específicas en un entorno de laboratorio. Para la determinación de esta configuración, se realiza un análisis cuantitativo del comportamiento en intensidad en los planos coronográficos de Lyot y de plano focal de registro, en los que se analiza el comportamiento de dos propiedades: la razón de atenuación y el encapsulamiento energético, utilizando un análisis métrico propuesto. El análisis coronográfico se estudia desde dos perspectivas, desde el plano de la convolución en la apertura de Lyot, para establecer las condiciones de circulación o desplazamiento energético con el momento orbital inducido, para establecer un truncamiento de los máximos de intensidad, y desde la perspectiva de la PSF para cuantificar la fuga de intensidad y analizar las características posfiltrado de la distribución focal. La información obtenida, se interpreta en razón a las distancias angulares de difracción en la región crítica de interés coronográfico de 1λ/D. Para generar un marco de estudio se recurre a diferentes técnicas mediante la experimentación y simulación, para predecir y registrar los comportamientos coronográficos desde diferentes perspectivas, de forma que se pueda establecer un entorno comparativo y de discusión entre las diferentes observaciones del fenómeno para establecer congruencia y validez en el proceso de estudio. Apoyados con la infraestructura del laboratorio, en la parte experimental se utiliza dos sistemas de modulación de fase: uno por reflexión que es de solo fase, y otro por transmisión con modulación acoplada a la intensidad. El objetivo con estos dispositivos es determinar sus respectivas capacidades de extinción energética, al evaluarlos en el sistema coronográfico que se propone. El diseño de este último es apoyado con herramientas como Zemax OpticStudio. En la parte de simulación se implementa un sistema End-To-End mediante la propagación con óptica física para la construcción secuencial de las etapas coronográficas, basándose en el propagador de espectro angular. El estudio culmina con la determinación de las condiciones óptimas de filtrado, junto con un diseño prototipo experimental y una evaluación adicional de los resultados en una aplicación con un sistema telescópico.