Leichtgewichtige flexible holographische Linse ebnet Weg für nächste Generation Weltraumteleskope

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

Zwei sphärische Lichtwellen werden verwendet, um das Hologramm zu erzeugen, was eine feine Kontrolle über das auf dem Film aufgezeichnete Beugungsgitter und dessen Wirkung auf Licht ermöglicht – entweder Licht mit überragender Empfindlichkeit zu trennen oder es mit hoher Auflösung zu fokussieren. Die Forscher glauben, dass dieses Modell in Anwendungen nützlich sein könnte, die extrem hohe spektrale Auflösungsspektroskopie erfordern, wie die Analyse von Exoplaneten.

Teleskope, die in den Weltraum gestartet werden müssen (um von einer ungehinderten Sicht durch die Erdatmosphäre zu profitieren), sind durch das Gewicht und die Masse der Glasspiegel begrenzt, die zum Fokussieren von Licht verwendet werden. Diese Spiegel können realistisch nur wenige Meter im Durchmesser spannen. Im Gegensatz dazu könnte die leichte flexible holographische Linse – genauer „holographisches optisches Element“ genannt – Dutzende von Metern im Durchmesser betragen. Ein solches Instrument könnte verwendet werden, um einen Exoplaneten direkt zu beobachten, ein Sprung gegenüber aktuellen Methoden, die Exoplaneten basierend auf ihrer Wirkung auf das Licht des Sterns detektieren, den sie umkreisen.

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

Das holographische optische Element ist eine verfeinerte Version einer Fresnel-Linse, einer Kategorie von Linsen, die konzentrische Ringe von Prismen in einer flachen Ebene verwenden, um die Fokussierfähigkeit einer gekrümmten Linse ohne das Volumen nachzuahmen. Das Konzept der Fresnel-Linse – entwickelt für Leuchttürme – reicht ins 19. Jahrhundert zurück, mit modernen Fresnel-Linsen aus Glas oder Kunststoff in Automobil Lampen, Mikrooptik und Kamerabildschirmen.

Aber während Fresnel-holographische optische Elemente – erzeugt durch Belichtung eines lichtempfindlichen Kunststofffilms mit zwei Lichtquellen in unterschiedlichen Abständen vom Film – nicht ungewöhnlich sind, waren bestehende Methoden auf Linsen beschränkt, die nur Licht fokussieren konnten, anstatt es in seine Bestandteile zu trennen.

Die neue Methode ermöglicht es den Designern, entweder Licht auf einen einzelnen Punkt zu fokussieren oder es in seine Bestandteile zu dispergieren und ein Spektrum reiner Farben zu erzeugen. Die Methode verwendet zwei Lichtquellen, die sehr nah beieinander positioniert sind, die konzentrische Lichtwellen erzeugen, die – während sie zum Film reisen – sich entweder aufbauen oder auslöschen. Dieses Konvergenz- oder Interferenzmuster kann basierend auf Formeln, die von Gastprofessorin Mei-Li Hsieh entwickelt wurden, abgestimmt werden. Es wird auf den Film „aufgezeichnet“ als holographisches Bild und, je nachdem, wie das Bild strukturiert ist, wird Licht, das durch das holographische optische Element hindurchgeht, entweder fokussiert oder gestreckt.