Nieuw apparaat hervormt laserstraal voor ver-infraroodtelescopen

Ver-infraroodtelescopen mengen het binnenkomende licht uit de ruimte met hun eigen ver-infraroodlaser om de spectrale resolutie te maximaliseren. Maar de huidige beschikbare lasers kunnen geen signaal produceren met een ideale vorm—een Gaussian beam. Yuner Gan, promovendus bij SRON en RUG, heeft nu een straalreinigingsapparaat ontwikkeld dat een laserstraal omvormt tot een Gaussian beam. Publicatie in Optics Express.

Objecten in het heelal staan zo ver weg dat zelfs licht soms miljarden jaren nodig heeft om naar ons toe te reizen. Wanneer het licht eindelijk op aarde arriveert, is het gedivergeerd tot zo’n zwak signaal dat we het niet eens meer met onze eigen ogen kunnen zien. Ver-infraroodtelescopen hebben grote spiegels om een maximale hoeveelheid licht op te vangen, maar toch moeten we alle zeilen bijzetten om de individuele spectraallijnen te onderscheiden. Daarom rusten we de telescopen uit met hun eigen ver-infraroodbron, om het binnenkomende licht te mengen met een referentiesignaal, wat resulteert in een betere spectrale resolutie. Helaas hebben de best beschikbare bronnen—kwantumcascadelasers—een vorm die verre van ideaal is. Dit kan lichtverlies veroorzaken als het licht van het ene naar het andere element reist binnen een instrument, of het kan het gedrag van het licht lastig te voorspellen maken, en zelfs ongewenst licht creëren dat op de detectoren valt.

Yuner Gan, promovendus bij SRON Netherlands Institute for Space Research en de Rijksuniversiteit Groningen, heeft nu een apparaat ontwikkeld dat een gewone laserstraal omtovert tot een ideale vorm: een Gaussian beam. Het is een ver-infraroodfilter dat bestaat uit twee achter elkaar gemonteerde silicium lenzen, met een dunne goudlaag ertussen met een opening—het diafragma. Toen Gan het apparaat toepaste op een kwantumcascadelaser van 3,9 THz met een zwakke straal, kreeg ze een Gaussian beam met een transmissie-efficiëntie van ruim 30%–de verhouding tussen de energie in de output en de input. Dit is nog steeds een aanzienlijk rendement als je in ogenschouw neemt dat de intrinsieke transmissie van de twee siliciumlenzen zonder diafragma slechts 72% is, en ook gezien de relatief slechte inputbundel.

Dit werk komt voort uit een samenwerking tussen SRON, Rijksuniversiteit Groningen, TU Delft en het Massachusetts Institute of Technology.

Bijschrift header image: Artist impression van de ver-infrarood straalfilter. De laserstraal met de onregelmatige vorm gaat door een siliciumlens, via een diafragma in een dunne goudlaag, door een tweede silicium lens, en verandert zo in een Gaussian beam.

Publicatie

Yuner Gan, Behnam Mirzaei, Sebastiaan van der Poel, Jose R. G. Silva, Matvey Finkel, Martin Eggens, Marcel Ridder, Ali Khalatpour, Qing Hu, Floris van der Tak, and Jian-Rong Gao, “3.9 THz spatial filter based on a back-to-back Si-lens system,” Opt. Express 28, 32693-32708 (2020)

New device reshapes laser beam for far-infrared telescopes

Far-infrared telescopes mix the incoming light from space with their own far-infrared laser to maximize the spectral resolution. But the currently available lasers can’t produce a radiation signal with an ideal shape—a Gaussian beam. Yuner Gan, a PhD student at SRON and RUG, has now developed a beam cleaning device that reshapes an original laser beam into a Gaussian beam. Publication in Optics Express.

Objects in the Universe are so far away that even light needs sometimes billions of years to cross the distance. When the light finally arrives on Earth, it has diverged into such a weak signal that we can’t even see it anymore with our own eyes. Far-infrared telescopes have large mirrors to collect a maximum amount of light, but still we need all hands on decks to distinguish the individual spectral lines. Therefore we equip the telescopes with their own far-infrared source, to mix the incoming light with a known signal, resulting in a better spectral resolution. Unfortunately, the best available sources—quantum cascade lasers—have a beam shape that is far from ideal. This can cause loss of light while it travels from one element to another within an instrument, or it can make it difficult to predict the behavior of the light, and even create unwanted light seen by the detectors.

Yuner Gan, a PhD student at SRON Netherlands Institute for Space Research and University of Groningen, has now developed a device that reshapes a regular laser beam into an ideal shape—a Gaussian beam. It is a far-infrared filter consisting of two back-to-back mounted silicon lenses, with an opening aperture defined on a thin gold layer in between. When Gan applied the device to a quantum cascade laser at 3.9 THz with a poor beam, she obtained a Gaussian beam with over 30% transmission efficiency—the ratio of the energy in the output versus the input. This is still a significant efficiency taking into account the intrinsic 72% transmission of the two back-to-back silicon lenses without the aperture and also considering the relatively poor input beam.

This work is an international collaboration among SRON, University of Groningen, Delft University of Technology and Massachusetts Institute of Technology.

Caption header image: Artistic impression of the far-infared beam filter. A conventional laser beam travels through a silicon lens, crosses an opening aperture defined on a thin gold layer, goes through a second silicon lens, and is reshaped into a Gaussian beam.