NASA’s ballonmissie GUSTO neemt eind dit jaar de Nederlandse multi-pixelcamera van SRON en TU Delft naar de rand van de ruimte. Daar gaat hij de spectraallijnen observeren van geïoniseerde atomen tussen de sterren van de Melkweg. Als extra hardwarebijdrage levert SRON een zogenoemde Fourier fasetralie. De techniek daarachter is nu gepubliceerd in Optics Express. 

Om de atomen en moleculen in het interstellaire medium te bestuderen, kijken astronomen naar hun vingerafdrukken in een specifiek type infraroodlicht: terahertzstraling. GUSTO heeft een camera aan boord op basis van zogenoemde heterodyne ontvangers om deze straling op te pikken. De ontvangers mixen een terahertzsignaal uit de ruimte met hun eigen signaal van een lokale oscillator om een microgolfsignaal te genereren, wat makkelijker te verwerken is voor wetenschappers. Met deze benadering kunnen ze de atomaire en moleculaire vingerafdrukken meten met een hoge spectrale resolutie van tenminste een miljoen. Het vereist een multi-pixel detector, die een oscillator nodig heeft met meerdere stralingsbundels van exact dezelfde frequentie en energie.

Behnam Mirzaei, instrument-wetenschapper bij SRON, maar werkzaam op de TU Delft bij de Optics Research Group, heeft een Fourier-fasetralie ontwikkeld die acht bundels van 4,7 THz genereert vanuit een enkele quantumcascasdelaser. De tralie heeft een structuur met een periodiek profiel volgens de Fouriertheorie en kan de fase van het gereflecteerde licht manipuleren om meerdere bundels op te wekken. Een moeilijkheid is dat GUSTO tweemaal vier bundels nodig heeft met strikte vereisten qua hoekafstanden en de uniformiteit van hun energie. Bovendien is de grootte van de inkomende bundel van de laser kleiner dan normaal.

Om alsnog aan de voorwaarden te voldoen, heeft Mirzaei een nieuw concept toegepast op basis van een asymmetrisch profiel. De asymmetrische tralie breekt het licht in meerdere bundels die in verschillende richtingen reizen, met een ongelijke verdeling. Zo gebruikt de tralie de kleine omvang van de inkomende bundel om de vereiste hoekafstanden te creëren tussen de uitgaande bundels. Ter vergelijking: een conventionele symmetrische tralie zou een kleine inkomende bundel transformeren in uitgaande bundels met te grote hoekafstanden. De techniek is nu gepubliceerd in Optics Express.

Bijschrift afbeelding: Een asymmetrische fasetralie voor GUSTO. (a) en (b): Optische micrograph van twee celeenheden van de geproduceerde tralie. (c): Simulatie.

Publicatie

Behnam Mirzaei, Yuner Gan, Matvey Finkel, Christopher Groppi, Abram Young, Christopher Walker, Qing Hu, and Jian-Rong Gao, “4.7 THz asymmetric beam multiplexer for GUSTO,” Optics Express 29, 24434-24445 (2021)

New phase grating technique for NASA’s GUSTO mission

GUSTO, NASA’s stratospheric balloon observatory, will bring the Dutch multi-pixel camera system of SRON and TU Delft to the edge of space. It will perform a large-scale observation of the spectral lines from ionized atoms between the stars of the Milky Way. As an extra hardware contribution, SRON delivers a Fourier phase grating. The technique behind it is now published in Optics Express. 

To investigate atoms and molecules in the interstellar medium, astronomers look at their fingerprints in a specific type of infrared light: terahertz radiation. GUSTO is equipped with a camera system based on so-called heterodyne receivers to pick up this radiation. The receivers mix a terahertz signal from space with their own signal from a local oscillator to generate a signal at microwave frequency, making it easier to handle for scientists. This approach allows them to capture the atomic and molecular fingerprints at a high spectral resolution of at least one million. It requires a multi-pixel detector, which needs an oscillator with multiple beams of exactly the same frequency and power.

Behnam Mirzaei, an instrument scientist at SRON, but located at TU Delft (Optics Research Group), has developed a Fourier phase grating to generate eight beams at 4.7 THz from a single quantum cascade laser. The grating with a periodic, profiled structure according to the Fourier theory, can manipulate the phase of the reflected light to generate multiple beams. A difficulty is that GUSTO demands 2×4 beams with strict requirements on their angular distances and the uniformity of their power. Moreover, the incoming beam size from the laser is smaller than usual.

To meet these requirements, Mirzaei has applied a new concept based on an asymmetric-profile. The asymmetric grating breaks the light up into multiple beams travelling in different directions, which are not equally distributed around the reflected direction if the phase grating would be replaced by a flat mirror. In this way the grating makes use of the small size of the incoming beam to create the required angular distance between the multiple beams. In contrast, a conventional symmetric grating, if it has to use a small beam, will create multiple beams with too large angular distance. So it wouldn’t match GUSTO’s optical system The technique is now published in the journal Optics Express.

Header image: An asymmetric-profile phase grating dedicated for GUSTO. (a) and (b): Optical micrograph of two unit cells of the manufactured grating. (c): Simulated image. (c): Simulatie.

Publication

Behnam Mirzaei, Yuner Gan, Matvey Finkel, Christopher Groppi, Abram Young, Christopher Walker, Qing Hu, and Jian-Rong Gao, “4.7 THz asymmetric beam multiplexer for GUSTO,” Optics Express 29, 24434-24445 (2021)