Lichtgewicht flexibele holografische lens baant weg voor next-gen ruimtetelescopen

Geïnspireerd door een concept voor het ontdekken van exoplaneten met een gigantische ruimtetelescoop, ontwikkelt een team van onderzoekers holografische lenzen die zichtbaar en infrarood sterrenlicht omzetten in ofwel een gefocusde afbeelding of een spectrum. De experimentele methode kan gebruikt worden om een lichtgewicht flexibele lens te creëren, vele meters in diameter, die opgerold kan worden voor lancering en in de ruimte ontvouwd kan worden.

Twee spherische lichtgolven worden gebruikt om de hologram te produceren, wat fijn controle geeft over het diffractieroster op de film opgenomen, en het effect dat het op licht heeft — ofwel licht scheiden met supergevoeligheid of focusseren met hoge resolutie. De onderzoekers geloven dat dit model nuttig kan zijn in toepassingen die extreme hoge spectrale resolutie spectroscopie vereisen, zoals analyse van exoplaneten.

Telescopen die in de ruimte gelanceerd moeten worden (om te profiteren van een zicht onbelemmerd door de aardse atmosfeer) zijn beperkt door het gewicht en de omvang van de glazen spiegels die gebruikt worden om licht te focusseren. Deze spiegels kunnen realistisch maar een paar meters in diameter spannen. In tegenstelling, de lichtgewicht flexibele holografische lens — meer correct een "holografisch optisch element" genoemd — gebruikt om licht te focusseren, kan tientallen meters doorsnede hebben. Zo'n instrument kan gebruikt worden om een exoplanete direct te observeren, een sprong boven de huidige methoden die exoplaneten detecteren op basis van hun effect op licht komende van de ster die ze omkreisen.

"Om Aarde 2.0 te vinden, willen we exoplaneten echt door direct imaging zien — we moeten in staat zijn om naar de ster te kijken en de planeet los van de ster te zien. En daarvoor hebben we hoge resolutie en een echt grote telescoop nodig," zei professor Heidi Jo Newberg.

Het holografische optische element is een verfijnde versie van een Fresnellens, een categorie lenzen die concentrische ringen van prismata in een vlakvlak gebruiken om de focusserende capaciteit van een gebogen lens na te bootsen zonder de omvang. Het concept van de Fresnellens — die ontwikkeld werd voor gebruik in vuurtorens — dateert uit de 19e eeuw, met moderne Fresnellens van glas of plastic gevonden in autolampen, micro-optica en cameraschermen.

Maar terwijl Fresnel-holografische optische elementen — gecreëerd door een lichtgevoelige plasticfilm te blootstellen aan twee lichtbronnen op verschillende afstanden van de film — niet ongebruikelijk zijn, zijn bestaande methoden beperkt tot lenzen die alleen licht kunnen focusseren, in plaats van het te scheiden in de constituent kleuren.

De nieuwe methode stelt ontwerpers in staat om ofwel licht op een enkel punt te focusseren of het te disperseren in de constituent kleuren, producerend een spectrum van zuivere kleuren. De methode gebruikt twee lichtbronnen, zeer dicht bij elkaar gepositioneerd, die concentrische golven van licht creëren die — naarmate ze naar de film reizen — elkaar opbouwen of uitschakelen. Dit patroon van convergentie of interferentie kan afgestemd worden op basis van formules ontwikkeld door gastprofessor Mei-Li Hsieh. Het wordt geprint, of "opgenomen," op de film als een holografisch beeld en, afhankelijk van hoe de beeld gestructureerd is, wordt licht door het holografische optische element ofwel gefocust of uitgerekt.