Los científicos crean la primera lente telescopio plana que no distorsiona los colores

Los primeros telescopios usaron lentes, conocidos como telescopios refractores. Pequeños instrumentos, ya sea para los astrónomos aficionados que comienzan o las personas ansiosas por mirar montañas distantes o espiar a sus vecinos, todavía se hacen de esa manera. Sin embargo, la mayoría de los instrumentos más grandes, desde los ámbitos del patio trasero para las herramientas aficionadas más serias a la cima de la montaña gigantes para explorar el universo, ahora adoptan el método de espejos curvantes (reflectores) de Newton.

Esto se debe a que, a medida que las lentes se amplían para atrapar más luz, también se vuelven más voluminosas. Entre los costos de todo ese vidrio y los desafíos de mantener y transportar el peso, los telescopios con lentes suelen ser demasiado caros e inconvenientes por encima de un tamaño bastante pequeño. El profesor Rajesh Menon de la Universidad de Utah lidera un equipo que puede tener una forma de cambiar eso, al menos para los instrumentos basados ​​en el espacio.

Las lentes de refracción tradicionales usan su curvatura para doblar la luz. La visión que cambió el mundo que inspiró el telescopio fue que dos lentes en sucesión podrían usarse para crear imágenes ampliadas de objetos distantes. Cuanto más ancha sea la lente, más luz captura, lo que nos permite ver las cosas demasiado débiles para el ojo solo; mientras que una lente más gruesa permite una mayor flexión de luz, aumentando el aumento.

Además de la refracción y la reflexión, la luz puede cambiar su camino a través de la difracción, lo que significa que hay una tercera forma de enfocar una imagen. Por ejemplo, las placas de la zona de Fresnel (FZP) se centran con crestas concéntricas difractantes, pero la salida de color está altamente distorsionada.

Las lentes ordinarias refractan diferentes colores en ángulos ligeramente diferentes, produciendo anillos de color alrededor de las imágenes, pero los FZP son mucho peores a este respecto, solo aumentan efectivamente la longitud de onda para la que están optimizados. Color nos dice mucho sobre la naturaleza del objeto que estamos observando que este es un problema importante, mucho más allá de la pérdida de imágenes bonitas. Aunque una lente difractiva está en uso para la astronomía, solo funciona de manera efectiva para la luz naranja y roja, imponiendo grandes limitaciones.

Menon y los coautores modelaron 20,000 anillos de difractación en una oblea de vidrio de una manera que permite ampliar una gama de longitudes de onda. Los anillos tienen separaciones más pequeñas que las longitudes de onda que se doblan y necesitan una posición casi perfecta, pero los avances en la fabricación fina hacen que esto sea mucho más viable de lo que solía ser. La luz se reproduce en la lente, produciendo colores como los de un CD, lo cual no es sorprendente ya que esos también tienen anillos lo suficientemente delgados como para producir luz difractada, aunque no de manera tan precisa.

«Simular el rendimiento de estas lentes sobre un ancho de banda muy grande, desde visible hasta infrarrojo cercano, implicó resolver problemas computacionales complejos que involucran conjuntos de datos muy grandes», dijo el autor principal, el Dr. Apratim Majumder de la Universidad de Utah en un comunicado.

El equipo demostró la viabilidad del enfoque utilizando una lente de 100 milímetro (4 pulgadas) de diámetro, justo en el punto en que los reflectores tienden a hacerse cargo de los refractores en el mercado local, y tomaron imágenes del sol y la luna. Crucialmente, mientras se monta en un respaldo más grueso, la difracción se logra con anillos como máximo 2.4 μm de alto, mucho más delgados que un cabello humano. «Una vez que optimizamos el diseño de las microestructuras de la lente, el proceso de fabricación involucrado requirió un control de procesos muy estricto y la estabilidad ambiental», dijo Majumder.

La lente demostró su idoneidad para todas las longitudes de onda visibles distintas de la violeta más profunda, e incluso ligeramente en el infrarrojo.

Sin embargo, el equipo tiene ambiciones mucho mayores. «Nuestra demostración es un trampolín hacia la creación de lentes planas livianas de apertura muy grande con la capacidad de capturar imágenes a todo color para su uso en telescopios a base de aire y espacio», dijo Majumder.

Cada gramo es importante al enviar objetos al espacio, mientras que los telescopios volan a bordo de globos o aviones deben ser compactos. Aunque reflejar los telescopios puede ser mucho más ligero que los refractores de tamaño similar, todavía se vuelven muy pesados ​​en tamaños grandes. Además, las distorsiones creadas por el espejo secundario o las imperfecciones en la media primaria tienen sus propios inconvenientes, que estas lentes de difractas pueden evitar.

«Si tiene éxito, estas lentes planas podrían conducir a sistemas de imágenes más simples, más baratos y basados ​​en el espacio para la astronomía y la observación de la Tierra», dijo Menon en un artículo acompañante.

Le dijo a IFLScience que es el equipo; “Trabajando en lentes planas más grandes. Creo que serán factibles, pero pasará tiempo antes de que podamos obtener el costo de fabricación para que sea mucho más barato que el de los espejos «, haciendo que estas lentes competitivas para los astrónomos aficionados. Sin embargo, Menon agregó: «Pero, por supuesto, podría estar muy equivocado».

El documento se publica en la revista Apliced ​​Physics Letters.