SCHOTT solutions Nr. 1/2016 > Optische Filter

Optische Filter
Foto: Cefca

Mit 70 Filtern zur 3D-Karte des Universums


Mit den Javalambre-Teleskopen im spanischen Teruel wird es zum ersten Mal möglich sein, die Positionen Hunderter Millionen von Galaxien und ihre Entwicklung aufzuzeichnen. SCHOTT stellte für diese Aufgabe mehrere Sets steilkantiger und schmalbandiger Bandpassfilter her, mit deren Hilfe enge Wellenlängen-bereiche des Sternenlichts untersucht werden können.


Bernhard Gerl

Nur eine staubige Piste führt durch die Sierra de Javalambre zu den beiden neuen Teleskopen auf dem 1956 Meter hohen Pico del Buitre in der zur strukturschwachen spanischen Region Aragón gehörenden Provinz Teruel. Das Hightech-Observatorium dient hier ganz nebenbei der Wirtschaftsförderung. Für die Forscher der CEFCA (Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón) aber ist es ein wissenschaftlicher Meilenstein, der vielleicht entscheidende Fortschritte auf der Suche nach der dunklen Energie bringen wird, jener geheimnisvollen Substanz, die knapp 70 Prozent der Masse des Universums trägt, über deren Eigenschaften man aber so gut wie nichts weiß. Kosmologen vermuten, dass sich winzige Schwankungen in der Verteilung dieser dunklen Energie kurz nach dem Urknall auch heute noch in der Verteilung von Galaxien im Universum zeigen. Eine genaue 3D-Kartierung aller Galaxien steht aber immer noch aus. Hier sollen die Javalambre-Teleskope mit dem Projekt J-PAS (Javalambre Physics of the Accelerating Universe ­Astrophysical Survey) einen entscheidenden Beitrag liefern.

„Das innovative Design der J-PAS-Kamera und des Filtersystems wird es zum ersten Mal möglich machen, die Positionen Hunderter Millionen von Galaxien am Himmel zu bestimmen, was uns die erste vollständige 3D-Karte des Universums liefern wird”, erklärt Dr. Antonio Marín-Franch, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Leiter Instrumentation Group bei CEFCA. Dabei wird die Entfernung astronomischer Objekte durch die Messung der Rotverschiebung des von ihnen ausgestrahlten Lichts bestimmt. SCHOTT hat zusammen mit den CEFCA-Wissenschaftlern speziell für die Javalambre-Teleskope Filtersets entwickelt, die diese Messung möglich machen, aber nicht nur das.
Optische Filter
Die Bearbeitung und Qualitätsprüfung der Filtergläser (oben) erfolgte im SCHOTT Kompetenzzentrum für optische Hoch-Präzisions-Komponenten und Beschichtungen in Yverdon, Schweiz. Die Filter kommen in einem Filterrad (unten) zum Einsatz. Mit diesem ist es möglich, eine Vielzahl von Parametern zu ermitteln, die für die Entwicklung von Galaxien relevant sind. Foto oben: SCHOTT/A. Sell, Foto unten: SCHOTT/Cefca
„Das Filtersystem wird es erlauben, viele Parameter zu messen, die für die Entwicklung von Galaxien wichtig sind: etwa die Temperaturen der Sterne, ihre Masse, die Verteilung ihres Alters und ihren Metallgehalt”, erklärt Dr. Antonio Marín-Franch weiter. Für diese Aufgaben wurden für das kleinere der beiden Teleskope, das JAST/T80 mit einem ZERODUR® Glaskeramik- Spiegelträger von 80 Zentimetern Durchmesser, zwölf verschiedene Astrofilter gefertigt. Das größere JAST/T250 verfügt über einen Spiegelträger aus ZERODUR® Glaskeramik mit einem Durchmesser von 250 Zenti­metern: Für dieses Teleskop entwickelten die Experten sogar 70 verschiedene Astrofilter. Von jedem dieser Designs sind jeweils nur zwei Filter gefertigt worden, die sich durch exzellente optische und mechanische Eigenschaften auszeichnen.

Extra Messtechnik für optische Filter entwickelt


Das Besondere an diesen steilkantigen und schmalbandigen Bandfiltern ist: Sie lassen in einem nur 10 bis 20 Nanometer breiten Frequenzbereich das einfallende Licht durch – mit einer Abweichung des Transmissionsgrades von nur 0,06 Prozent – blockieren aber alle höheren und niedrigeren Frequenzen vom nahen IR bis zum UV (T < 10–5). Erreicht wurde dies durch eine Kombination eines farbigen Filterglases für die Blockung aller Wellenlängen ab einer bestimmten Grenze und eines Interferenzfilters.

SCHOTT stellt Interferenzfilter bereits seit den 1940er-Jahren her, heute vor allem in seinem Werk in Yverdon (Schweiz), wo das Know-how und ein umfangreicher Maschinenpark, etwa für das Magnetron- und Ion-Beam-Sputtering, zur Verfügung stehen. Die aufwendige Berechnung der Schichtabfolgen erfolgt am Computer, dann ist das Wissen der Experten gefragt, welche die diversen möglichen Schichtaufbauten in technisch umsetzbare Lösungen übersetzen.
JAST/T80-Teleskop
Im JAST/T80-Teleskop (oben) kommen 12 unterschiedliche optische Filtergläser zum Einsatz, im größeren JAST/T250 sogar 70 verschiedene steilkantige und schmalbandige Filter. Aufgrund der sehr anspruchsvollen Spezifikationen entwickelte SCHOTT für das Astroprojekt eine spezielle Messtechnik. Foto: Cefca
Um die sehr anspruchsvollen Spezifikationen, die die CEFCA-Wissenschaftler stellten, garantieren und nachprüfen zu können, musste SCHOTT sogar eine eigene Messtechnik entwickeln. So durfte die Wellenfrontabweichung über die gesamte Filterfläche von immerhin 106 mal 106 Millimeter höchstens λ/2 betragen (erreicht wurde sogar besser als λ/4). Für die Überprüfung wurde für SCHOTT ein spezieller Breitband-Shack-Hartmann-Wellenfront-Sensor entwickelt, denn Standard-Wellenfront-Sensoren messen bei 633 Nanometer, also dort, wo die Astrofilter das Licht blockieren.

Weil die acht Millimeter dicken Filter im Strahlengang des Teleskops liegen, beeinflussen sie seine Abbildungseigenschaften. Die CEFCA-Wissenschaftler mussten daher den Brechungsindex der Filtergläser kennen. „Doch bei den Wellenlängen, bei denen typischerweise der Brechungsindex eines Glases gemessen wird, waren unsere Filter in der Regel undurchsichtig”, erklärt Dr.-Ing. Ralf Biertümpfel, Produktmanager Filter bei SCHOTT Advanced Optics. „Wir benötigten deshalb eine Messvorrichtung, mit der wir ihn über das Reflexionsverhalten des Glases bestimmen konnten.” Auch diese Messapparatur hat SCHOTT selbst entwickelt.

SCHOTT erzielte durch dieses Projekt mit der Verbindung von Werkstoff, Werkstoffcharakterisierung, Herstellung, Beschichtungs-Know-how und verfügbarer Messtechnik einen technologischen Vorsprung, der neue Märkte eröffnen wird. Denn engbandige Bandpassfilter werden nicht nur in astronomischen Teleskopen genutzt. In Satelliten werden Kittelemente, bei denen mehrere Bandpassfilter auf ein einziges Substrat aufgebracht sind, eingesetzt, um die Erde in engen Spektralbereichen zu beobachten. Aber auch für die Spektroskopie sind die Filter einsetzbar und können nun aufgrund der gemachten Erfahrungen rasch individuell für Kunden entwickelt und hergestellt werden. <
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