Лёгкая гибкая голографическая линза открывает путь к космическим телескопам нового поколения

Вдохновлённые концепцией обнаружения экзопланет с гигантским космическим телескопом, команда исследователей разрабатывает голографические линзы, преобразующие видимый и инфракрасный звёздный свет либо в сфокусированное изображение, либо в спектр. Экспериментальный метод может быть использован для создания лёгкой гибкой линзы, диаметром в многие метры, которую можно свернуть для запуска и развернуть в космосе.

Две сферические волны света используются для создания голограммы, что даёт тонкий контроль над дифракционной решёткой, записанной на пленке, и её влиянием на свет — либо разделение света с сверхчувствительностью, либо фокусировка с высоким разрешением. Исследователи считают, что эта модель может быть полезна в приложениях, требующих экстремально высокого спектрального разрешения спектроскопии, такого как анализ экзопланет.

Телескопы, которые должны запускаться в космос (чтобы воспользоваться видом, не препятствуемым атмосферой Земли), ограничены весом и объёмом стеклянных зеркал, используемых для фокусировки света. Эти зеркала реалистично могут охватывать лишь несколько метров в диаметре. В отличие от этого, лёгкая гибкая голографическая линза — более правильно называемая «голографическим оптическим элементом» — используемая для фокусировки света, может быть дюжинами метров в поперечнике. Такой прибор мог использоваться для прямого наблюдения экзопланеты, что станет качественным скачком по сравнению с текущими методами, обнаруживающими экзопланеты на основе их влияния на свет, исходящий от звезды, вокруг которой они вращаются.

«Чтобы найти Землю 2.0, мы действительно хотим видеть экзопланеты прямым образом — нам нужно иметь возможность смотреть на звезду и видеть планету отдельно от звезды. И для этого нам нужно высокое разрешение и действительно большой телескоп», — сказала профессор Хайди Джо Ньюберг.

Голографический оптический элемент — это усовершенствованная версия линзы Френеля, категории линз, использующих концентрические кольца призм, расположенных в плоской плоскости, для имитации фокусирующей способности изогнутой линзы без объёма. Концепция линзы Френеля — разработанная для использования в маяках — датируется 19-м веком, современные линзы Френеля из стекла или пластика встречаются в автомобильных фарах, микрооптике и экранах камер.

Но в то время как голографические оптические элементы Френеля — создаваемые путём экспозиции светочувствительной пластиковой пленки двум источникам света на разных расстояниях от пленки — не редки, существующие методы были ограничены линзами, которые могли только фокусировать свет, а не разделять его на составляющие цвета.

Новый метод позволяет дизайнерам либо фокусировать свет в одну точку, либо рассеивать его в составляющие цвета, производя спектр чистых цветов. Метод использует два источника света, позиционированных очень близко друг к другу, которые создают концентрические волны света, которые — по мере движения к пленке — либо усиливают, либо гасят друг друга. Эта картина сходимости или интерференции может быть настроена на основе формул, разработанных посещающим профессором Мей-Ли Сье. Она печатается, или «записывается», на пленке как голографическое изображение и, в зависимости от структуры изображения, свет, проходящий через голографический оптический элемент, либо фокусируется, либо растягивается.