Astronomical applications of optical vortices

Optical vortices represent a particular class of wavefront dislocations characterized by a topological charge l. The surface of constant phase of an electromagnetic wave carrying an optical vortex has a helical structure and presents a singularity along the axis of the helicoid, where the phase is undefined. As a consequence, the intensity distribution of a vortex light beam contains a central dark region, where the intensity is zero due to destructive interference. Optical vortices can be produced by using phase modifying devices, i.e. particular optical elements possessing an optical singularity generally located at their center. The most efficient of them are fork holograms and spiral phase plates. In the last decade, the properties of optical vortices have found interesting applications in optical physics. Among these, the most promising are those in optical communications, nanotechnologies and biology. Optical vortices are attracting increasing attention also in astronomy, where the properties of such features of the electromagnetic radiation could provide a new approach to the study of astrophysical phenomena. The purpose of this Thesis is to present some possible applications of optical vortices to instrumental astronomy. In particular, this work is focused on the development and testing of new techniques to improve the performances of optical systems. Firstly, a method is proposed to improve the resolving power of a diffraction-limited telescope by means of an l = 1 fork hologram. Both the experiments and numerical simulations reveal that the superposition of the optical vortices produced by two light beams characterized by equal Airy intensity distributions present a detectable asymmetry even for separations that are one order of magnitude below the limit of the Rayleigh criterion. It is shown that this result can be achieved both with monochromatic and white light beams. We then present the first astronomical experiment in which we produced optical vortices in starlight beams with an l = 1 fork hologram placed at the focal plane of the Galileo 122 cm telescope in Asiago. By using the Lucky Imaging approach to reduce the effects of mediocre seeing conditions, we were able to observe the images of the optical vortices produced by the two main components of the multiple system alpha Her, in non-monochromatic light, and by the single star alpha Boo, using a narrow bandpass. In both cases, the intensity profiles of the observed optical vortices are in agreement with numerical simulations. Detailed analytical models and numerical simulations confirm that the spatial structure of an optical vortex produced by a phase modifying device is extremely sensitive to off-axis displacements of the input beam, especially when high values of the topological charge l are used. This property could be used to perform ground-based astrometric measurements with a precision competitive to standard PSF-fitting astrometry. The sensitivity to small off-axis displacements might also help to improve the tip/tilt correction of the wavefront for a small field of view. We discuss also the possible application of the nulling property of even-charged optical vortices to perform high-contrast coronagraphy. In this case, the nulling of the light of an on-axis star is achieved by using a spiral phase plate and a circular diaphragm as Lyot stop. In principle, this coronagraphic design is one of the very few that might allow direct imaging of extrasolar terrestrial planets. However, such remarkable performance is still strongly limited by the current techniques used to manufacture spiral phase plates. In the framework of projecting an l = 2 optical vortex coronagraph for visible wavelengths, we present the results of numerical simulations obtained considering a spiral phase plate with a surface subdivided in N discrete levels. A description of the experimental procedures used to test spiral phase plates manufactured with PMMA (polymethyl methacrylate) material is also given.

I vortici ottici rappresentano una particolare classe di dislocazioni dei fronti d'onda caratterizzate da una carica topologica l. La superficie di fase costante di un'onda elettromagnetica che trasporta un vortice ottico ha una struttura elicoidale. Lungo l'asse di questa elica è presente una singolarità in cui la fase non può essere definita. Di conseguenza, la distribuzione d'intensità di un fascio di luce contenente un vortice ottico presenta una zona centrale dove l'intensità è nulla per effetto dell’interferenza distruttiva. I vortici ottici possono essere prodotti utilizzando particolari elementi ottici detti phase modifying devices che modificano la fase di un'onda incidente. I più efficienti tra questi sono i fork holograms (ologrammi) e le spiral phase plates (maschere di fase). Negli ultimi anni, le proprietà dei vortici ottici hanno trovato interessanti applicazioni nei campi della fisica e dell'ottica. Tra queste, le più promettenti sono quelle in comunicazioni ottiche, nelle nanotecnologie ed in biologia. Recentemente, i vortici ottici stanno suscitando un crescente interesse anche nella comunità astronomica. Infatti, queste particolari proprietà della radiazione elettromagnetica potrebbero permettere di studiare diversi fenomeni astrofisici da un punto di vista completamente nuovo. In questa Tesi vengono presentate alcune possibili applicazioni dei vortici ottici in strumentazione astronomica. In particolare, lo scopo principale di questo lavoro è lo sviluppo di nuove tecniche che permetteranno di migliorare le prestazioni di sistemi ottici. In primo luogo, viene proposto un metodo per aumentare il potere risolutivo di un telescopio limitato dalla diffrazione che prevede l'utilizzo di un fork hologram con una singola dislocazione. I risultati di esperimenti e simulazioni numeriche rivelano che la sovrapposizione dei vortici ottici prodotti da due fasci di luce con una distribuzione d'intensità di Airy mostra già un'evidente asimmetria quando la separazione è di un ordine di grandezza inferiore rispetto al limite posto dal criterio di Rayleigh. Questo risultato è stato ottenuto sia in luce monocromatica, sia in luce bianca. Viene poi presentato il primo esperimento astronomico in cui sono stati prodotti vortici ottici con un fork hologram avente una singola dislocazione posto al piano focale del telescopio Galileo da 122 cm di Asiago. Utilizzando i principi del Lucky Imaging per ridurre gli effetti provocati da condizioni di seeing mediocre, sono state osservate le immagini dei vortici ottici prodotti dalle due componenti principali del sistema multiplo alfa Her, in luce non monocromatica, e dalla stella singola alfa Boo, utilizzando un filtro spaziale a banda stretta. In entrambi i casi, i profili d’intensità dei vortici ottici osservati sono riproducibili con simulazioni numeriche. La sensibilità dell'immagine di un vortice ottico prodotto con un phase modifying device rispetto a spostamenti fuori asse del fascio entrante è confermata da modelli analitici dettagliati e anche da simulazioni numeriche, specialmente nel caso in cui vengano utilizzati elevati valori della cariche topologica l. Questa proprietà potrebbe essere utilizzata per fare misure astrometriche da terra con una precisione che potrebbe competere con quella fornita dalle tecniche standard di astrometria di PSF. La sensibilità rispetto a piccoli spostamenti fuori asse potrebbe anche essere sfruttata per migliorare la correzione dell’aberrazione di tip/tilt del fronte d'onda in un piccolo campo di vista. Viene poi discussa la possibile applicazione di vortici ottici con carica topologica pari nella coronografia ad alto contrasto. In questo caso, l'azione combinata di una spiral phase plate e di un diaframma circolare utilizzato come stop di Lyot permette di annullare totalmente la luce di una stella in asse. Studi teorici indicano che il coronografo a vortici ottici è uno dei pochi che potrebbe realmente permettere l'osservazione diretta di pianeti extrasolari di tipo terrestre. Purtroppo, questa notevole proprietà è fortemente limitata dalle attuali tecniche usate per produrre le spiral phase plate. Nell'ambito di un progetto di costruzione di un coronografo a vortici ottici con l = 2 ottimizzato per lunghezze d'onda visibili, vengono presentati i risultati di simulazioni numeriche ottenuti considerando una spiral phase plate la cui superficie è suddivisa in N livelli discreti. Infine, vengono discusse le procedure sperimentali utilizzate per testare spiral phase plates in PMMA (polimetil-metacrilato).