(Nederlands volgt Engels)

SRON scientists and lithographers collaborated with a student from the University of Groningen and one of the world’s best lens grinders to develop an immersed etalon. This allows the color of light from space to be determined more accurately. Thanks to this compact optical element, they have solved an important problem in the development towards future space telescopes that can study the earliest galaxies in the universe.

The innovative element can guide very weak infrared light to a detector with a high spectral resolution with minimal loss, while the etalon is still compact enough for use in a space telescope.

A good candidate

The discovery for which the researchers combined lithographic and optical expertise, could be a candidate for the next generation of infrared telescopes that NASA is studying for after the James Webb Space Telescope. SRON Project leader Willem Jellema: “The French institute IRAP has also expressed interest to fly this technology on a balloon telescope of their space agency CNES, to detect ionized carbon in interstellar space.”

The immersed etalon was successfully tested at the end of November in a test setup of the University of Lethbridge in Canada, at a temperature of 4 Kelvin, in other words, minus 269 degrees Celsius. That temperature is important for space telescopes that must measure very weak signals.

Facelift

An etalon is a classical measurement principle for spectroscopy devised by the French physicists Fabry and Pérot in 1897. In an etalon, photons are ‘captured’ by reflecting them between two mirrors. By setting the distance between the mirrors to a certain wavelength, it is possible to choose which photons remain captured and which escape: an optical tuning fork.

For a space telescope, a traditional etalon is not always feasible. The mirrors quickly become too large, and they must be able to move relative to each other so that wavelengths can be filtered out.

Jellema and Carolien Feenstra decided that this could be done differently and set out to do so in Feenstra’s BSc research project for the Kapteyn Institute.

Just like SRON had previously taken the traditional diffraction grating principle for the separation of wavelengths and applied this in an ‘immersed grating’, they followed a similar principle and devised the ‘immersed etalon’.
By allowing the light to pass through a dielectric medium, it is already diffracted to a certain extent, making it possible for the entire instrument to be much smaller. For the light diffraction, the team chose high-quality monocrystalline silicium, the material that solar panels are made of. This material allows far‑infrared light to pass through with low loss.

Perfectly parallel discs and ultra-thin membranes of this material were polished smoother than smooth by lens grinder Rik ter Horst from Zuidwolde, who is also associated with NOVA in Dwingeloo. SRON-lithographer Marcel Ridder etched minuscule cavities, a fraction of a hair width in the wafers, using the cleanroom of SRON and the Kavli Nanolab of Delft University of Technology. These cavities form the space where the light is reflected back and forth.

A precisely controlled tipping light path

With this setup, the mirrors do not necessarily have to move relative to each other to isolate the correct wavelength. This can also be achieved by changing the angle of incidence of the light using a precisely controlled tipping light path. The researchers used laser metrology to achieve this tipping with considerable precision. This technology was also co-developed for the future space mission SPICA with the instrument SAFARI for which SRON is the principal investigator.

The immersed etalon, which was further developed during Feenstra’s internship based on the model from her BSc project, has been incorporated in the test and demonstration model spectrometer at the University of Lethbridge with optical filters from the University of Cardiff. Feenstra’s simulations very precisely agreed with the first experimental results.

The immersed etalon clears the path to more applications of smart optical components that SRON will develop together with Leiden University and Delft University of Technology. The development was partly funded from the NWO roadmap Large-Scale Infrastructure for the development of SPICA-Safari.

Read also further on the University of Groningen site ScienceLinx: https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2018/12/20181218_jellema

Read also further on the University of Lethbridge website: http://www.uleth.ca/unews/article/u-l%E2%80%99s-space-imaging-group-scores-success-two-fronts#.XBk-xvx7mCQ

Verzonken etalon voor hoge resolutie spectroscopie

Klassieke optische stemvork in nanolithografisch jasje

Instrumentwetenschappers en lithografiespecialisten van SRON hebben samen met een studente van de RuG en een van ’s werelds beste lenzenslijpers een verzonken etalon ontwikkeld. Daarmee is de kleur van licht uit de ruimte veel nauwkeuriger te bepalen. Met dit compacte optische element lossen zij een belangrijk puzzelstuk op in de ontwikkeling naar toekomstige ruimtetelescopen die de allervroegste sterrenstelsels uit het heelal scherp kunnen bestuderen.

Goede kandidaat

De vernieuwende etalon kan heel zwak infrarood licht met minimaal verlies naar een detector leiden met een hoge spectrale resolutie, terwijl de etalon compact genoeg is voor in een ruimtetelescoop. De vondst waarin het team optische en lithografische expertise combineerde, kan zich kandidaat stellen voor de volgende generatie infrarood-telescopen, waarop NASA studeert voor na de James Webb Space Telescoop. Projectleider Willem Jellema van SRON: “Ook tonen het Franse ruimteagentschap CNES en IRAP interesse om de technologie te laten vliegen op een ballontelescoop waarmee zij geïoniseerd koolstof willen opsporen in de ijle ruimte tussen de sterren.”

De verzonken etalon is eind november succesvol getest, in een test-opstelling van de universiteit van Lethbridge in Canada, bij een temperatuur van 4 Kelvin, ofwel 269 graden onder nul. Die temperatuur is van belang voor ruimtetelescopen die hele zwakke signalen moeten meten.

Modern jasje

Een ‘etalon’ is een klassiek meetprincipe voor spectroscopie van de Franse natuurkundigen Fabry en Pérot uit 1897. Daarin worden fotonen ‘gevangen’ door ze tussen twee spiegels heen en weer te laten kaatsen. Door de afstand tussen de spiegels te bepalen op een bepaalde golflengte, bepaal je welke fotonen gevangen blijven en welke ontsnappen: een optische stemvork.

Voor een ruimtetelescoop is een traditionele etalon best onhandig. De spiegels zijn al snel te groot, én ze moeten ten opzichte van elkaar kunnen bewegen om golflengtes naar keuze te kunnen uitfilteren.

Jellema en Carolien Feenstra besloten in Feenstra’s BSc onderzoeksproject voor het Kapteyn Instituut dat dit anders kon.
Net zoals SRON eerder het klassieke tralieprincipe voor het scheiden van golflengtes toepaste in een ‘verzonken tralie’, bedachten zij de ‘verzonken etalon’.

Door het licht door een medium te laten vallen, wordt het licht alvast wat gebroken, zodat het totale instrument veel kleiner kan. Het team koos als medium voor de lichtbreking hoge kwaliteit monokristallijn silicium, het materiaal waar zonnepanelen van worden gemaakt. Dit laat ver-infrarood licht goed door.

Perfect parallelle schijfjes en flinterdunne membraantjes van dit materiaal zijn gladder dan glad gepolijst door lenzenslijper Rik ter Horst uit Zuidwolde, ook verbonden aan NOVA in Dwingeloo. SRON-lithograaf Marcel Ridder etste daarin, in de eigen cleanroom en bij het Kavli Nanolab van TU Delft, minuscule ruimten van een fractie van een haardikte, waarin het licht heen en weer kaatst.

Precies kantelend licht

Verder bedacht het team dat de spiegels niet per se ten opzichte van elkaar hoeven te bewegen om de juiste golflengte te isoleren. Dat kan ook door de hoek van lichtinval te veranderen met een precies gecontroleerd kantelend lichtpad. Om met enorme precisie te kantelen gebruikten de onderzoekers laser-metrologie die al was ontwikkeld voor de toekomstige ruimtemissie SPICA met het instrument Safari waarvoor SRON de principal investigator is.

De verzonken etalon, tijdens Feenstra’s internship doorontwikkeld op basis van het model uit haar BSc-project, is voor de tests ingebouwd in een demonstratiemodel spectrometer op de universiteit van Lethbridge met optische filters van de universiteit van Cardiff. Feenstra’s simulaties kwamen meteen heel nauwkeurig overeen met de eerste experimentele resultaten.

De verzonken etalon opent de deur naar meer toepassingen voor smart optical components die SRON samen met de universiteiten in Leiden en Delft zal ontwikkelen. De ontwikkeling werd deels bekostigd vanuit de NWO roadmap grootschalige infrastructuur voor de ontwikkeling van SPICA-Safari.

Zie ook ScienceLinx van de RUG: https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2018/12/20181218_jellema

Zie ook Universiteit van Lethbridge: http://www.uleth.ca/unews/article/u-l%E2%80%99s-space-imaging-group-scores-success-two-fronts#.XBk-xvx7mCQ