SC2 / ASTROOPTIK

Die Beobachtung des Himmels ist in allen Kulturen tief verwurzelt. Neben dem reinen Wissensdrang hat die Astronomie schon immer auch praktische Zwecke erfüllt - beispielsweise als unverzichtbares Hilfsmittel zur Bestimmung von Zeit und Ort. Heutige dient die Astronomie überwiegend dem fundamentalen Erkenntnisgewinn. Welche Naturgesetze bestimmen sowohl die Entstehung unseres Weltalls und Sonnensystems als auch die Eigenschaften von Elementarteilchen? Gibt es anderes Leben im Universum?

Verbesserte astronomische Beobachtungsmöglichkeiten gestatten immer tiefere Blicke ins All. Gewonnene Erkenntnisse dienen gleichsam als Prüfstand physikalischer Theorien, jenseits der experimentellen Möglichkeiten auf der Erde. Das Verständnis der Vorgänge im Inneren von Sternen, wie der Sonne, ist dabei auch von hoher praktischer Bedeutung in unserer hochtechnisierten Welt: plötzliche Aktivitätsschwankungen der Sonne können zum Ausfall wichtiger Infrastrukturen auf der Erde führen, wenn diese nicht rechtzeitig erkannt werden.

Die Weiterentwicklung der astronomischen Beobachtungstechnologien erfolgt weltweit in zahlreichen wissenschaftlichen Programmen. In Europa werden Aktivitäten der bodengebundenen Astronomie im optischen und nah­infraroten Bereich durch Netzwerke wie OPTICON und die Europäische Südsternwarte (ESO: European Southern Observatory) koordiniert und umgesetzt. Eine gesamteuropäische Position für Strategie und Prioritäten der Astronomie wurde von Astronet dokumentiert [1, 2], einem Konsortium aller wichtigen nationalen Fördermittelgeber in Europa (u. a. auch des BMBF).

High resolution spectroscopy from the optical to the infrared […] will allow unprec­edented progress in [the study of star and planet formation].

(Science with the E-ELT)

In der Infrastructure Roadmap [1] werden die Prioritäten für Großgeräte der Grundlagenforschung, d. h. astronomische Observatorien abgeleitet. Eines der umfangreichsten Vorhaben ist die bereits gestartete Realisierung des „European Extremely Large Telescopes“ (E-ELT) mit einem Primärspiegeldurchmesser von fast 40 m, dessen Inbetriebnahme für das Jahr 2024 geplant ist [3]. Daneben werden aktuell weitere Großteleskope konzipiert und realisiert, u. a. das „Giant Magellan Telescope“ (geplante Fertigstellung 2020) [4] und das „Thirty Meter Telescope“ auf Hawaii (geplante Fertigstellung 2022) [5]. Mit einer Vielzahl optischer Instrumente bestückt werden diese Teleskope grundlegende Fragen der Menschheit beantworten helfen [3]:

  • Exoplaneten: Seit mehr als einer Dekade ist bekannt, dass Planeten auch in anderen Sonnensystemen existieren. Neue Teleskope werden die Auflösung haben, um Exoplaneten erstmals direkt zu beobachten und nach Anzeichen für außerirdisches Leben zu untersuchen.
  • Kosmologie / Elementarteilchenphysik: Im Verständnis der Entwicklung des Universums und der grundlegenden physikalischen Gesetze gibt es auch heute noch große Lücken. So sind Phänomene der inflationären Ausdehnung, dunkler Materie und dunkler Energie bislang unverstanden. Mit den neuen Beobachtungsmöglichkeiten wird unser Verständnis über Entwicklung, Struktur und Eigenschaften des Universums geschärft. Dabei stehen Fragen im Mittelpunkt, wie „Sind die physikalischen Konstanten wirklich konstant?“ oder „Beschleunigt sich die Ausdehnung des Universums?“
  • Astrophysik / Sternentstehung / Planetenentstehung: Die neuen Teleskope werden die Zahl der untersuchbaren Sterne unserer Galaxie deutlich erhöhen und damit den gesamten Lebenszyklus der Sterne und Planeten sehr viel detaillierter beleuchten. Dies gibt auch Auskunft darüber, ob unser Heimatsonnensystem eine Ausnahme darstellt oder es vergleichbare geben könnte.

Zur Beantwortung dieser Fragen muss neben der Auflösungssteigerung der Teleskope auch die Leistungsfähigkeit der nachgeschalteten Messinstrumente deutlich verbessert werden. Deren Kernbestandteil sind oftmals hochempfindliche und hochauflösende Spektrometer. Dies wird u. a. auf der ESO Instruments Summary Table deutlich, die allein aktuell etwa 25 aktive spektroskopische Instrumente auflistet [6]. Die Astronet Infrastructure Roadmap [1] weist der Weiterentwicklung dieser Instrumentenklasse die höchste Priorität zu. Auch in der E-ELT Instrumentation Roadmap ist die Spektroskopie prominent vertreten [7]: HARMONI, METIS, HIRES und ELT-MOS sind vier der ersten fünf geplanten Spektrographen. Die Schlüsselkomponenten dieser Instrumente sind optische Gitter zur spektralen Aufspaltung des Lichts.

ENABLER: HOCHPRÄZISE SPEKTROMETERGITTER

Die hohen Anforderungen der astrophysikalischen Experimente spiegeln sich direkt in den erforderlichen Eigenschaften der Gitter wider. Hohe spektrale Auflösung und Empfindlichkeit ist nur mit Gittern erreichbar, die höchste Effizienz und exzellente Wellenfrontgenauigkeit mit äußerst geringem Streulichtuntergrund vereinen. Darüber hinaus sind häufig Gitter außerordentlicher Abmessungen von über 500 mm (wie z. B. beim HARPS-Instrument [8]) gefordert, die teilweise aus mehreren Einzelgittern hochgenau zusammengesetzt werden müssen.

Durch die notwendigen Entwicklungsarbeiten [für die Astronomie] werden Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft [Deutschlands] gesteigert

(BMBF - Weltall: Einblicke in den Kosmos)

Je nach konkreter Aufgabe stehen zwei Gitterkonzepte zur Verfügung:

  • hohe spektrale Auflösung bei geringerer Bandbreite: Hierfür können binäre schräg beleuchtete, nanostrukturierte Gitter eingesetzt werden [10].
  • hohe Bandbreite bei moderater spektraler Auflösung: hier werden häufig Strukturen eingesetzt, die innerhalb einer Periode des Gitters eine kontinuierliche Phasenfunktion besitzen. Dies kann z. B. mittels Nanostrukturierung erreicht werden [9].
Abb. 1: Spektroskopisches Gitter für die Sentinel-4 Erdbeobachtungsmission. Nanooptische Gitter sind ein Schlüsselelement in der Instrumentierung von Weltraummissionen.
Abb. 1: Spektroskopisches Gitter für die Sentinel-4 Erdbeobachtungsmission. Nanooptische Gitter sind ein Schlüsselelement in der Instrumentierung von Weltraummissionen.

Eine aktuelle Übersicht typischer Performanceparameter für Spektrometerkomponenten, am Beispiel des sich derzeit in der Planung befindlichen MOONS-Instruments für das (VLT) [11, 12], zeigt die folgende Tabelle.

Tab. 1: Technische Parameter des MOONS Spektrometergitters für das H-Band.
Tab. 1: Technische Parameter des MOONS Spektrometergitters für das H-Band.

Momentan gibt es drei Alternativansätze, diese Gitter für die erdgebundene astronomische Instrumentierung zu realisieren:

  • holographische Volumengitter: Gitterstrukturen als Brechzahlmodulation in Photolacken [13],
  • lithographische Oberflächengitter: dielektrische Oberflächengitter realisiert durch direktschreibende Lithographieverfahren [14],
  • lithographische Volumengitter: Kombinationen vollversiegelter, hohlraumfreier, oberflächennaher Gitter auf optisch aktiven, nichtplanaren Trägersubstraten (sog. GRISMS) realisiert durch direktschreibende Lithographieverfahren, konforme Beschichtungsmethoden und hochpräzise optische Fügetechnologien [15, 16].

Ultra-stable spectrographs […] will achieve measure­ment precisions of ~1 cm/s […]. For the detection of rocky planets in habitable zones, this precision is needed […].

(Science with the E-ELT)

Lithographischen Methoden erreichen eine bessere Kontrolle der Nanostruktur des Gitters und damit eine deutlich höhere Flexibilität bei der Wahl der optischen Eigenschaften. Elektronenstrahllithographie ist unerreicht darin, Nanostrukturen gezielt so einzustellen, dass gewünschte Parameter, wie Polarisationsabhängigkeit oder spektraler Verlauf, erreicht werden [14].

Diese Methode ist grundsätzlich auch auf große Flächen homogen skalierbar, da Wellenfront- und Anschlussfehler durch modernster Positioniersysteme heutiger Lithographieanlagen einfacher handhabbar sind, als bei holographischen Methoden.

NPL wird auf der Basis der diskutierten Skalierungsfähigkeit und der eigenen starken Kompetenz in Nanostruktur-, Beschichtungs- und Integrationstechniken auf lithographische Gitter fokussieren und diese zusammen mit Endanwendern auf die erforderlichen Parameter skalieren.

Abb. 2: Nanostruktur des GAIA-Gitters. Nur durch innovative Strukturierungskonzepte konnten die Ziele der ESA erreicht werden.
Abb. 2: Nanostruktur des GAIA-Gitters. Nur durch innovative Strukturierungskonzepte konnten die Ziele der ESA erreicht werden.

WISS.-TECHNOLOGISCHE UMSETZUNG

Für große Gitter mit Abmessungen von über 500 mm werden die erforderlichen Substrate ein Gewicht von 50 kg und mehr aufweisen. Für das Handling solcher Substrate, die Beschichtung mit Photolacken, die Reinigung, etc. müssen spezielle Verfahren entwickelt werden, welche die exzellente Qualität der finalen Nanostrukturen sicherstellen.

Astrophysik gilt […] als ausgesprochener Technologietreiber, insbesondere im Bereich optischer Technologien.

(BMBF - Weltall: Einblicke in den Kosmos)

Zentrale technische Herausforderungen sind:

  • Lithographiesysteme sowie Ätz- und Beschichtungstechniken für Substratgrößen >500 mm und Substratgewichte >30 kg,
  • hochauflösende Charakterisierungstechnologien für sub-Mikrometerstrukturen (Rasterelektronenmikroskopie, Atomic-Force-Mikroskopie, Streulichtanalyse) auf großen Substraten.

Die langjährige Technologieführerschaft des Fraunhofer IOF auf diesem Feld zeigt sich in der erfolgreichen Bearbeitung zahlreicher Projekte aus dem avisierten Themenfeld [14, 17, 18], in der engen Verzahnung mit Entwicklungsaktivitäten von Anlagenherstellern, sowie in der weltweit anerkannten Erfahrung des Antragstellers in Bezug auf Charakterisierungstechniken für nanostrukturierte Großkomponenten [19, 20]. Die wesentlichen Bearbeitungsanlagen, Technologien und Messtechniken für die angestrebte Weiterentwicklung der Technologieketten werden hier in Zusammenarbeit mit Anwendern und Industriepartnern realisiert.


INVESTITIONSBEDARFE

Aus den oben beschriebenen Anforderungen ergeben sich folgende Entwicklungsbedarfe für die Kerntechnologien:

WICHTIGE PROJEKTE DER NPL-PARTNER MIT BEZUG ZUM SCIENCE CASE

  • RVS Fiber Laser für ATV 5 bei International Space Station (ISS) in Zusammenarbeit mit JenaOptronik, European Space Agency (ESA).
  • NIR-Spectrometer Grating für CarbonSat bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Thales Alenia Space.
  • SWIR Grism für CarbonSat bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Thales Alenia Space.
  • Black Bodies (BB) for IRS and FCI Instruments für COM bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit MICOS, ABB-Canada.
  • Order Sorter Filters für CRIRES+ bei Very Large Telescope (VLT) in Zusammenarbeit mit Thüringer Landessternwarte Tautenburg, European Southern Observatory (ESO).
  • UV-Spectrometer Grating für CUBES bei Very Large Telescope (VLT) in Zusammenarbeit mit European Southern Observatory (ESO).
  • Computer Generated Hologramm for Wavefront Calibration für CUBES bei Very Large Telescope (VLT) in Zusammenarbeit mit European Southern Observatory (ESO).
  • Phase shifter für DARWIN bei Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPIA) in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPIA).
  • Computer Generated Hologramm for Wavefront Calibration für DESIS bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR).
  • Micromirros für EnMAP bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit OHB.
  • Prisms für EnMAP bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit OHB.
  • Mirros für EnMAP bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit OHB.
  • Computer Generated Hologramm for Wavefront Calibration für EnMAP bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit OHB.
  • Green Laser für ExoMars bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit INTA, Monocrom.
  • Cold Mirror Set für FIAT bei European Extremely Large Telescope (E-ELT) in Zusammenarbeit mit European Southern Observatory (ESO).
  • Spectrometer Gratings für FLEX/FLORIS bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Astrium DS.
  • Effective-Index Spectrometer Grating für GAIA bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Astrium DS (http://sci.esa.int/gaia/).
  • Computer Generated Hologramm for Wavefront Calibration für GAIA bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Sagem (http://sci.esa.int/gaia/).
  • Fiber Collimator für GRACE bei National Aeronautics and Space Administration (NASA) in Zusammenarbeit mit Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) (Spacetech), European Space Agency (ESA).
  • Derotator Mirror Unit für GRAVITY bei Very Large Telescope (VLT) in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPIA), European Southern Observatory (ESO).
  • Polarisation Optics für HIRES bei European Extremely Large Telescope (E-ELT) in Zusammenarbeit mit European Southern Observatory (ESO), Leibniz-Institut für Astronomyphysik Potsdam (AIP).
  • Foster Prism für HIRES bei European Extremely Large Telescope (E-ELT) in Zusammenarbeit mit European Southern Observatory (ESO), Leibniz-Institut für Astronomyphysik Potsdam (AIP).
  • Retarder für HIRES bei European Extremely Large Telescope (E-ELT) in Zusammenarbeit mit European Southern Observatory (ESO), Leibniz-Institut für Astronomyphysik Potsdam (AIP).
  • High Energy Fiber Laser für InnoSpace bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR).
  • Piston Mirror für LINC-NIRVANA bei Large Binocular Telescope (LBT) in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPIA).
  • Fiber Laser für LiQuaRD bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit JenaOptronik.
  • Mirror Components für LUCIFER bei Large Binocular Telescope (LBT) in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPIA).
  • Spectrometer Optics für MERTIS bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit OHB, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), Jaxa.
  • TMA-Telescope Optics für METimage bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit JenaOptronik.
  • Computer Generated Hologramm for Wavefront Calibration für METimage bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit JenaOptronik.
  • Imager Optical Components für METIS bei European Extremely Large Telescope (E-ELT) in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPIA), European Southern Observatory (ESO).
  • Camera Optics für MICADO bei European Extremely Large Telescope (E-ELT) in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPI MPE), European Southern Observatory (ESO).
  • Main Optics Mirror Spectrometer für MIRI bei James Webb-Telescope in Zusammenarbeit mit AstronomyN, Netherlands Consortium.
  • Spectrometer Optics für MUSES, DESIS bei International Space Station (ISS) in Zusammenarbeit mit Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR).
  • X-Ray Zone Lens für Panter X-ray test facility bei Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPI MPE) in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPI MPE).
  • Three-Mirror-Anastigmat für PCW bei Canadian Space Agency (CSA) in Zusammenarbeit mit ABB-Canada.
  • Image Slicer für PEPSI bei Large Binocular Telescope (LBT) in Zusammenarbeit mit Leibniz-Institut für Astronomyphysik Potsdam (AIP).
  • TMA-telecope opics für PREMIER bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Airbus.
  • TMA-Telescope Optics für Rapid Eye bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit JenaOptronik, Rapid Eye AG.
  • Filter Assemblies für Sentinel-2 bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit JenaOptronik.
  • UVN objective für Sentinel-4 bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Astrium DS.
  • UVN Objective für Sentinel-4 bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Astrium DS.
  • NIR-Spectrometer Grating für Sentinel-5 bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit JenaOptronik.
  • Autofocus System für StarTiger bei European Space Agency (ESA).
  • Active Optics für STOIC bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit National University of Ireland Galway, European Space Agency (ESA).
  • Adaptive Optics für transportable feeder links bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR).
  • Computer Generated Hologramm for Wavefront Calibration für VISTEL bei Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR).


REFERENZEN

[1] M. F. Bode, M. J. Cruz, and F. J. Molster. The ASTRONET Infrastructure Roadmap: A Strategic Plan for European Astronomy. ASTRONET (2008).

[2] P. T. de Zeeuw and F. J. Molster, eds. A Science Vision for European Astronomy. ASTRONET (2010).

[3] E-ELT Science Office. An expanded view of the universe - science with the European extremely large telescope (2011).

[4] GMTO Corporation. Giant magellan telescope - scientific promise and opportunities (2012).

[5] W. Skidmore, ed. Thirty Meter Telescope - Detailed Science Case. TMT Observatory Corporation (2015).

[6] Eso instruments summary table.

[7] E-ELT Construction Proposal. ESO (2011).

[8] ESO. HARPS User Manual 2.1 (2011).

[9] U. D. Zeitner, E.-B. Kley, and A. Tünnermann. Photonic submicron-structures. Optik & Photonik, 5:46 (2010). doi: 10.1002/opph.201190099.

>[10] T. Clausnitzer, T. Kämpfe, E.-B. Kley et al. Highly-dispersive dielectric transmission gratings with 100% diffraction efficiency. Opt. Express, 16:5577 (2008). doi: 10.1364/OE.16.005577.

[11] E. Oliva, E. Diolaiti, B. Garilli et al. The design of the moons-vlt spectrometer. Proc. SPIE, 8446:84464V (2012). doi: 10.1117/12.925309.

[12] E. Oliva, S. Todd, M. Cirasuolo et al. Updated optical design and trade-off study for moons, the multi-object optical and near infrared spectrometer for the vlt. Proc. SPIE, 9147:91472C (2014). doi: 10.1117/12.2054425.

[13] J.-K. Rhee, J. A. Arns, W. S. Colburn et al. Chirped-pulse amplification of 85-fs pulses at 250 khz with third-order dispersion compensation by use of holographic transmission gratings. Opt. Lett., 19:1550 (1994). doi: 10.1364/OL.19.001550.

[14] U. Zeitner, M. Oliva, F. Fuchs et al. High performance diffraction gratings made by e-beam lithography. Appl. Phys. A, 109:789 (2012). doi: 10.1007/s00339-012-7346-z.

[15] G. Kalkowski, G. Harnisch, K. Grabowski et al. Low temperature grism direct bonding. Proc. SPIE, 9574:95740K (2015). doi: 10.1117/12.2187241.

[16] T. Paul, A. Matthes, T. Harzendorf et al. Half-wave phase retarder working in transmission around 630nm realized by atomic layer deposition of sub-wavelength gratings. Opt. Mater. Express, 5:124 (2015). doi: 10.1364/OME.5.000124.

[17] M. Erdmann, E.-B. Kley, and U. Zeitner. Development of a large blazed transmission grating for the gaia radial velocity spectrometer. In International Conference on Space Optics (2010).

[18] U. D. Zeitner, F. Fuchs, and E.-B. Kley. High-performance dielectric diffraction gratings for space applications. Proc. SPIE, 8450:84502Z (2012). doi: 10.1117/12.928286.

[19] S. Scheiding, M. Beier, U.-D. Zeitner et al. Freeform mirror fabrication and metrology using a high performance test cgh and advanced alignment features. Proc. SPIE, 8613:86130J (2013). doi: 10.1117/12.2001690.

[20] S. Schröder, T. Herffurth, H. Blaschke et al. Angle-resolved scattering: an effective method for characterizing thin-film coatings. Appl. Opt., 50:C164 (2011). doi: 10.1364/AO.50.00C164.

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