Die Notwendigkeit eines größeren Weltraumteleskops inspiriert zu einer leichten, flexiblen holografischen Linse

Inspiriert von einem Konzept zur Entdeckung von Exoplaneten mit einem riesigen Weltraumteleskop entwickelt ein Forscherteam holografische Linsen, die sichtbares und infrarotes Sternenlicht entweder in ein fokussiertes Bild oder ein Spektrum umwandeln. Die experimentelle Methode könnte verwendet werden, um eine leichte, flexible Linse mit vielen Metern Durchmesser herzustellen, die für den Start gerollt und im Weltraum entfaltet werden könnte.

Zwei sphärische Lichtwellen werden verwendet, um das Hologramm zu erzeugen, das eine feine Kontrolle über das auf dem Film aufgezeichnete Beugungsgitter und die Wirkung, die es auf das Licht hat, gibt – entweder Licht mit Superempfindlichkeit trennen oder mit hoher Auflösung fokussieren. Die Forscher glauben, dass dieses Modell für Anwendungen nützlich sein könnte, die eine Spektroskopie mit extrem hoher spektraler Auflösung erfordern, wie z. B. die Analyse von Exoplaneten.

Teleskope, die in den Weltraum geschossen werden müssen (um von einer ungehinderten Sicht durch die Erdatmosphäre zu profitieren), sind durch das Gewicht und die Größe der Glasspiegel begrenzt, die zum Fokussieren des Lichts verwendet werden. Diese Spiegel können realistischerweise nur wenige Meter im Durchmesser überspannen. Im Gegensatz dazu könnte die leichte, flexible holografische Linse – genauer gesagt ein „holografisches optisches Element“ – die zum Fokussieren von Licht verwendet wird, einen Durchmesser von Dutzenden von Metern haben. Ein solches Instrument könnte verwendet werden, um einen Exoplaneten direkt zu beobachten, ein Fortschritt gegenüber aktuellen Methoden, die Exoplaneten anhand ihrer Wirkung auf das Licht erkennen, das von dem Stern kommt, den sie umkreisen.

„Um die Erde 2.0 zu finden, wollen wir wirklich Exoplaneten durch direkte Bildgebung sehen – wir müssen in der Lage sein, auf den Stern zu schauen und den Planeten getrennt vom Stern zu sehen. Und dafür brauchen wir eine hohe Auflösung und ein wirklich großes Teleskop“, sagte Professor Heidi Jo Newberg.

Das holografische optische Element ist eine verfeinerte Version einer Fresnel-Linse, einer Kategorie von Linsen, die konzentrische Prismenringe verwenden, die in einer flachen Ebene angeordnet sind, um die Fokussierfähigkeit einer gekrümmten Linse ohne die Masse nachzuahmen. Das Konzept der Fresnel-Linse – die für den Einsatz in Leuchttürmen entwickelt wurde – stammt aus dem 19. Jahrhundert, wobei moderne Fresnel-Linsen aus Glas oder Kunststoff in Autolampen, Mikrooptiken und Kamerabildschirmen zu finden sind.

Aber während holografische optische Fresnel-Elemente – die durch Bestrahlen einer lichtempfindlichen Kunststofffolie mit zwei Lichtquellen in unterschiedlichen Abständen von der Folie erzeugt werden – keine Seltenheit sind, waren bestehende Methoden auf Linsen beschränkt, die Licht nur fokussieren konnten, anstatt es zu trennen seine konstituierenden Farben.

Die neue Methode ermöglicht es den Designern, Licht entweder auf einen einzelnen Punkt zu fokussieren oder es in seine einzelnen Farben zu zerlegen und so ein Spektrum reiner Farben zu erzeugen. Das Verfahren verwendet zwei sehr nahe beieinander positionierte Lichtquellen, die konzentrische Lichtwellen erzeugen, die sich auf ihrem Weg zum Film entweder aufbauen oder gegenseitig aufheben. Dieses Konvergenz- oder Interferenzmuster kann basierend auf Formeln abgestimmt werden, die von Gastprofessorin Mei-Li Hsieh entwickelt wurden. Es wird als holografisches Bild auf die Folie gedruckt bzw. „aufgezeichnet“ und je nach Bildstruktur wird das durch das holografische optische Element fallende Licht entweder gebündelt oder gestreckt.