Ученые создали первую плоскую линзу для телескопа, не искажающую цвета

Первые телескопы преломляли свет, сегодня же доминируют рефлекторы. Однако существует и третий способ фокусировки света, и, похоже, его звездный час наконец-то настал.

Впервые создана плоская линза для телескопа, точно передающая цвета. Это открывает путь к созданию менее громоздких объективов, которые можно будет недорого отправлять в космос.

Первые телескопы использовали линзы и назывались рефракторами. Небольшие инструменты – как для начинающих астрономов-любителей, так и для тех, кто хочет рассматривать далекие горы или подглядывать за соседями, – в основном все еще изготавливаются по этому принципу. Однако большинство более крупных инструментов – от телескопов на заднем дворе для более продвинутых любителей до гигантских приборов на вершинах гор, предназначенных для изучения Вселенной, – теперь используют ньютоновский метод с искривленным зеркалом (рефлекторы).

Суть в том, что чем шире линзы, тем больше света они захватывают, но и тем более громоздкими они становятся. Из-за высокой стоимости стекла, а также сложностей с удержанием и транспортировкой такого веса, телескопы с линзами, как правило, слишком дороги и неудобны, если их размер слишком большой. Профессор Раджеш Менон из Университета Юты возглавляет команду, которая, возможно, нашла способ изменить ситуацию, по крайней мере, для инструментов, которые мы отправляем космос.

Традиционные линзы-рефракторы используют свою кривизну для преломления света. Революционная идея, вдохновившая на создание телескопа, заключалась в том, что две последовательно расположенные линзы могут создавать увеличенные изображения удаленных объектов. Чем шире линза, тем больше света она захватывает, позволяя нам видеть объекты, слишком тусклые для невооруженного глаза; а более толстая линза обеспечивает большее преломление света, увеличивая изображение.

Помимо преломления и отражения, свет может менять свой путь посредством дифракции, что означает, что есть третий способ фокусировки изображения. Например, зонные пластинки Френеля (ЗПФ) фокусируют свет с помощью дифракционных концентрических гребней, но цветопередача при этом сильно искажается.

Обычные линзы преломляют разные цвета под немного разными углами, создавая цветные кольца вокруг изображений, но ЗПФ в этом отношении гораздо хуже, эффективно увеличивая только ту длину волны, для которой они оптимизированы. Цвет раскрывает нам так много информации о природе наблюдаемого объекта, что это становится серьезной проблемой, выходящей далеко за рамки потери красивых изображений. Хотя одна дифракционная линза используется в астрономии, она эффективно работает только для оранжевого и красного света, накладывая большие ограничения.

Плоская линза, использующая дифракцию, а не рефракцию, могла бы значительно облегчить большие телескопы для использования в космосе.

Менон и его соавторы нанесли на стеклянную пластину 20 000 дифракционных колец таким образом, что они позволяют одновременно увеличивать широкий диапазон длин волн. Расстояния между кольцами меньше, чем длины волн, которые они преломляют, и требуют почти идеального позиционирования, но достижения в области точного производства делают это гораздо более жизнеспособным, чем раньше. Свет играет на линзе, создавая радугу цветов, похожую на ту, что мы видим на компакт-дисках (если кто-нибудь еще помнит, что это такое). Это неудивительно, ведь на них тоже есть кольца, достаточно тонкие, чтобы создавать дифрагированный свет, хотя и не таким точным образом.

“Моделирование работы этих линз в очень широком диапазоне, от видимого до ближнего инфракрасного, включало решение сложных вычислительных задач с использованием очень больших объемов данных”, – написал в своем заявлении ведущий автор исследования, доктор Апратим Маджумдер из Университета Юты.

Команда продемонстрировала жизнеспособность подхода, используя линзу диаметром 100 миллиметров – как раз в той точке, в которой рефлекторы, как правило, вытесняют рефракторы на рынке домашних телескопов, – и сделала снимки Солнца и Луны. Важно отметить, что, хотя линза установлена на более толстой подложке, дифракция достигается за счет колец высотой не более 2,4 мкм, что намного тоньше человеческого волоса. “После того, как мы оптимизировали дизайн микроструктур линзы, производственный процесс потребовал очень строгого контроля процесса и стабильности окружающей среды”, – сказал Маджумдер.

Линза продемонстрировала свою пригодность для всех длин волн видимого света, кроме самого глубокого фиолетового и немного для инфракрасного диапазона.

Однако у команды гораздо более амбициозные планы. “Наша демонстрация – это шаг к созданию очень легких плоских линз с большой апертурой, способных захватывать полноцветные изображения для использования в воздушных и космических телескопах”, – сказал Маджумдер.

При отправке полезной нагрузки в космос, каждый грамм имеет значение, а телескопы, запускаемые на воздушных шарах или самолетах, должны быть компактными. Хотя телескопы-рефлекторы могут быть намного легче рефракторов аналогичного размера, при больших размерах они все очень тяжелые. Более того, искажения, создаваемые вторичным зеркалом или несовершенствами главного зеркала, означают, что у них есть недостатки, которых эти дифракционные линзы, возможно, позволят избежать.

“В случае успеха наши плоские линзы могут привести к созданию более простых и дешевых воздушных и космических систем визуализации для астрономии и наблюдения Земли”, – сказал Менон в сопроводительной статье.

Он сообщил, что команда “работает над созданием более крупных плоских линз. Я верю, что они станут реальностью, но потребуется время, прежде чем мы сможем сделать стоимость производства намного дешевле, чем у зеркал”, сделав эти линзы конкурентоспособными для астрономов-любителей. Однако в конце Менон добавил: “Но, конечно, я могу сильно ошибаться.”

Статья опубликована в журнале Applied Physics Letters.