Behoefte aan grotere ruimtetelescoop inspireert lichtgewicht flexibele holografische lens

Geïnspireerd door een concept voor het ontdekken van exoplaneten met een gigantische ruimtetelescoop, ontwikkelt een team van onderzoekers holografische lenzen die zichtbaar en infrarood sterlicht omzetten in een scherp beeld of een spectrum. De experimentele methode zou kunnen worden gebruikt om een ​​lichtgewicht flexibele lens te maken, met een diameter van vele meters, die kan worden opgerold voor lancering en in de ruimte kan worden ontplooid.

Er worden twee sferische lichtgolven gebruikt om het hologram te produceren, wat een nauwkeurige controle geeft over het diffractieve raster dat op de film is vastgelegd, en het effect dat het heeft op licht:ofwel licht scheiden met supergevoeligheid of het scherpstellen met een hoge resolutie. De onderzoekers denken dat dit model nuttig kan zijn in toepassingen die spectroscopie met extreem hoge spectrale resolutie vereisen, zoals de analyse van exoplaneten.

Telescopen die de ruimte in moeten worden gelanceerd (om te profiteren van een zicht dat niet wordt belemmerd door de atmosfeer van de aarde) worden beperkt door het gewicht en de omvang van de glazen spiegels die worden gebruikt om het licht te focussen. Deze spiegels kunnen realistisch gezien slechts enkele meters in diameter overspannen. Daarentegen kan de lichtgewicht flexibele holografische lens - beter gezegd een "holografisch optisch element" - die wordt gebruikt om licht te focussen, tientallen meters breed zijn. Zo'n instrument zou kunnen worden gebruikt om een ​​exoplaneet direct te observeren, een sprong vooruit ten opzichte van de huidige methoden die exoplaneten detecteren op basis van hun effect op het licht dat afkomstig is van de ster waar ze omheen draaien.

"Om Earth 2.0 te vinden, willen we exoplaneten echt zien door middel van directe beeldvorming - we moeten naar de ster kunnen kijken en de planeet gescheiden van de ster kunnen zien. En daarvoor hebben we een hoge resolutie en een hele grote telescoop nodig”, zegt professor Heidi Jo Newberg.

Het holografische optische element is een verfijnde versie van een Fresnel-lens, een categorie lenzen die concentrische ringen van prisma's gebruiken die in een plat vlak zijn gerangschikt om het focusvermogen van een gebogen lens zonder de massa na te bootsen. Het concept van de Fresnel-lens - die is ontwikkeld voor gebruik in vuurtorens - dateert uit de 19e eeuw, met moderne Fresnel-lenzen van glas of plastic die worden aangetroffen in autolampen, micro-optica en cameraschermen.

Maar hoewel Fresnel holografische optische elementen - gemaakt door een lichtgevoelige plastic film bloot te stellen aan twee lichtbronnen op verschillende afstanden van de film - niet ongewoon zijn, zijn bestaande methoden beperkt tot lenzen die alleen licht konden focussen, in plaats van het te scheiden in de samenstellende kleuren.

De nieuwe methode stelt de ontwerpers in staat om het licht op een enkel punt te concentreren of het te verspreiden in de samenstellende kleuren, waardoor een spectrum van pure kleuren ontstaat. De methode maakt gebruik van twee lichtbronnen die zeer dicht bij elkaar zijn geplaatst en die concentrische lichtgolven creëren die - terwijl ze naar de film gaan - elkaar opbouwen of opheffen. Dit patroon van convergentie of interferentie kan worden afgestemd op basis van formules die zijn ontwikkeld door een bezoek aan professor Mei-Li Hsieh. Het wordt als een holografisch beeld op de film afgedrukt, of "opgenomen", en, afhankelijk van hoe het beeld is gestructureerd, wordt het licht dat door het holografische optische element gaat, gefocust of uitgerekt.