Stworzono pierwsze płaskie soczewki, które mogą uchwycić kolory odległych gwiazd

Inżynierowie opracowali pierwsze lżejsze soczewki nowego typu, które mogą uchwycić kolory, obserwując światło odległych gwiazd znajdujących się w kosmosie.

Przez wieki soczewki działały w ten sam sposób – zakrzywione szkło lub plastik skupiały światło, aby możliwe było uzyskanie przybliżonego obrazu. Jednak tradycyjne soczewki mają poważną wadę – im są mocniejsze, tym są bardziej nieporęczne i ciężkie.

Naukowcy od dawna szukają sposobu na zmniejszenie wagi soczewek bez poświęcania ich funkcjonalności. I chociaż istnieją pewne smuklejsze alternatywy, mają one zwykle ograniczone możliwości i są na ogół trudne i kosztowne w produkcji.

Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z University of Utah i Price College of Engineering, pod kierownictwem Rajesha Menona, oferują obiecujące rozwiązanie dla teleskopów i astrofotografii – płaskie soczewki z dużą aperturą (otwór ograniczający przestrzeń, przez którą przechodzą fale elektromagnetyczne), które skupiają światło równie skutecznie jak tradycyjne wypukłe soczewki, zachowując przy tym dokładne kolory. Badanie „Colour astrophotography with a 100 mm-diameter f/2 polymer flat lens” zostało opublikowane w czasopiśmie Applied Physics Letters.

Technologia ta może potencjalnie ulepszyć systemy obrazowania astrofotograficznego, zwłaszcza tam, gdzie jest to niezwykle ważne, jak na przykład w lotnictwie, satelitach i teleskopach kosmicznych.

Soczewki zaginają światło, dzięki czemu obiekty wydają się większe. Im grubsza i cięższa soczewka, tym bardziej skupia światło i tym większe jest powiększenie. W przypadku zwykłych aparatów fotograficznych i domowych teleskopów grubość soczewki nie stanowi dużego problemu.

Ale gdy teleskopy muszą skupiać światło z galaktyk odległych o miliony lat świetlnych, waga ich soczewek staje się niepraktyczna. Dlatego teleskopy obserwacyjne i kosmiczne wykorzystują masywne zakrzywione zwierciadła, aby osiągnąć ten sam efekt zaginania skupiania, ponieważ mogą one być znacznie cieńsze i lżejsze niż soczewki. Naukowcy próbowali również rozwiązać ten problem, projektując płaskie soczewki, które manipulują światłem w inny sposób.

Jeden z istniejących typów, zwany soczewką Fresnela (FZP), wykorzystuje koncentryczne grzbiety do skupiania światła, zamiast grubej, zakrzywionej powierzchni. Chociaż metoda ta, zdaniem inżynierów, pozwala na uzyskanie lekkiej i kompaktowej soczewki, to nie jest zdolna do uchwycenia kolorów. Zamiast skupiać wszystkie długości fal światła widzialnego z tej samej strony, grzbiety FZP rozpraszają je pod różnymi kątami, co skutkuje obrazem z aberracjami chromatycznymi (cecha soczewki lub układu optycznego wynikająca z różnych odległości ogniskowania, która skutkuje rozszczepieniem światła) lub zniekształceniami kolorów.

Nowo opracowana płaska soczewka oferuje taką samą moc załamywania światła jak tradycyjne zakrzywione soczewki, a przy tym jednocześnie nie zniekształca kolorów jak FZP.

„Nasze techniki obliczeniowe sugerują, że moglibyśmy zaprojektować wielopoziomowe dyfrakcyjne płaskie soczewki z dużymi aperturami, które mogłyby skupiać światło w całym widzialnym spektrum” – mówi Rajesha Menona z University of Utah.

Kluczowa innowacja polega na mikroskopijnie małych koncentrycznych pierścieniach, które naukowcy mogą stworzyć na materiale. W przeciwieństwie do grzbietów FZP, które są zoptymalizowane dla pojedynczej długości fali, rozmiar i odstępy płaskich wnęk w nowej soczewce pozwalają na utrzymywanie rozproszonych długości fal światła wystarczająco blisko siebie, aby uzyskać ostry obraz w pełnym kolorze. Duże, płaskie, lżejsze i potrafiące uchwycić kolory soczewki mogą być niezwykle użyteczne w wielu branżach, ale ich najbardziej bezpośrednim zastosowaniem jest astronomia.

Emil Gołoś