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Abstract

With the Extremely Large Telescopes (ELTs) currently under construction we are entering a new era of challenging requirements, which drive spectrograph designs towards techniques that more efficiently use a facility’s light feed. If the spectrograph can operate close to the diffraction limit, this reduces the footprint of the instrument compared to a conventional high resolution spectrograph and mitigates problems and cost issues caused by the use of large optics. By using adaptive optics (AO) to address the wavefront distortions caused by the Earth’s atmospheric turbulence, we can provide diffraction limited starlight to the telescope’s focal plane. Using astrophotonic spatial reformatters and custom optical fibers to manage the AO output, we can increase the starlight coupled into the instrument. In the first part of the thesis, simulation models are compared to manufactured and on-sky tested astrophotonic reformatters. Re-designing of the structures allowed their simulated performance to be further optimised. This is complemented by the laboratory characterisation of multiple different reformatters. In the second part of the thesis, everything discussed thus far is combined, leading to the design, manufacture and on-sky test of a novel instrument concept. This new instrument is composed of a multi-core fiber (MCF) with 3D printed micro-optics on its cores, which increase the coupling of light into them. The custom fiber is used to feed starlight from the Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO) instrument at the 8.2 m Subaru telescope in Hawaii to a diffraction-limited high resolution spectrograph. The results are promising and highlight the instrument’s potential to change the paradigm with which high resolution spectrographs are built, in particular in the near infrared (NIR), for telescopes equipped with powerful AO systems. This study complements recent work in the field and provides crucial insight for optimising future astrophotonic devices.

Translation of abstract (German)

In der neuen Ära von extrem großen Teleskopen die sich derzeit im Bau befinden, treiben die extremen Anforderungen das Design von Spektrographen in Richtung von Technologien, die das vorhandene Licht am effizientesten nutzen. Der Betrieb nahe der Beugungsgrenze reduziert den Platzbedarf eines Instruments im Vergleich zu einem herkömmlichen Spektrographen mit hohem Auflösungsvermögen und verringert Probleme und Kosten, die durch die Verwendung großer Optiken andernfalls verursacht werden. Wellenfront fehler durch atmosphaerische Turbulenzen auf der Erde können mit adaptiver Optik behoben werden; solche Systeme stellen beugungsbegrenzte Abbildun gen von Sternen für angeschlossene Instrumente bereit. Dies verringert die scheinbare Groeße eines punkfoermigen Objekts, da die Anzahl der räumlichen Lichtmoden reduziert wird. Durch die Verwendung von astrophotonischen räumlichen Reformatierern und maßgeschneiderten optischen Fasern die an die AO gekoppelt sind, kann die Einkopplungseffizienz von Sternenlicht in das Instrument wesentlich verbessert werden. Im ersten Teil der Arbeit werden Simulationsmodelle mit vorhandenen und am Himmel getesteten astrophotonischen Reformatierern verglichen. Die geometrische Neugestaltung der Strukturen ermöglichte es, deren simulierte Leistung weiter zu optimieren. Dies wird ergänzt durch die Laborcharakterisierung mehrerer verschiedener Reformatierer. Im zweiten Abschnitt der Dissertation wurde alles bisher Besprochene kombiniert, was zur Konstruktion, Herstellung und on-sky Tests eines neuartigen Instrumentenkonzepts führte. Dieses neue Instrument besteht aus einer Mehrkernfaser mit 3D-gedruckter Mikrooptik auf seinen Kernen, welche den Wirkungsgrad der Lichtkopplung erhöht. Diese maßgeschneiderten Fasern werden verwendet um Sternenlicht vom SCExAO System am Subaru 8,2 m Teleskop einem beugungsbegrenzten Spektrographen mit hohem Auflösungsvermögen zuzuführen. Die Ergebnisse am Himmel sind vielversprechend und unterstreichen das Potenzial des Instruments. Diese Studie ergänzt die jüngsten Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet und zeigt entschei dende Erkentnisse für die Optimierung zukünftiger astrophotonischer Geräte.