Astronomical applications of optical vortices

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).