太空望远镜激发了轻巧的柔性全息镜头

纽约州特洛伊——受用巨型太空望远镜发现系外行星的概念的启发，一组研究人员正在开发全息透镜，将可见光和红外星光渲染成聚焦图像或光谱。周四发表在《自然科学报告》上的一篇文章中详细介绍了这种实验方法，它可用于制造直径数米的轻型柔性透镜，可以滚动发射并在太空中展开。

“我们使用两个球面光波来产生全息图，这使我们能够精确控制记录在胶片上的衍射光栅，以及它对光的影响——要么以超高灵敏度分离光，要么以高分辨率聚焦光，”伦斯勒理工学院的访问研究员、光学和光子学专家谢梅丽说，他建立了一个数学解决方案来控制全息图的输出。“我们相信该模型可能适用于需要极高光谱分辨率光谱的应用，例如系外行星的分析。”

Hsieh 还在国立阳明交通大学担任教职，与伦斯勒物理学家 Shawn-Yu Lin 和 Heidi Jo Newberg 一起，与构思光学空间概念的艺术家和发明家 Thomas D. Ditto 合作望远镜摆脱了传统的、笨重的玻璃反射镜和透镜。Ditto 于 1970 年代首次在伦斯勒工作，目前是天体物理学的访问研究员。

必须发射到太空的望远镜(从不受地球大气层阻碍的视野中受益)受到用于聚焦光线的玻璃镜的重量和体积的限制，这些玻璃镜的直径实际上只能跨越几米。相比之下，用于聚焦光线的轻型柔性全息透镜——更恰当地称为“全息光学元件”——可能有几十米宽。伦斯勒物理学、应用物理学和天文学教授纽伯格说，这种仪器可用于直接观测系外行星，这是目前根据系外行星对其轨道恒星发出的光的影响来探测系外行星的方法的飞跃。

“为了找到地球 2.0，我们真的很想通过直接成像来观察系外行星——我们需要能够观察恒星并看到行星与恒星分离。为此，我们需要高分辨率和非常大的望远镜，”天体物理学家和星系结构专家纽伯格说。

全息光学元件是菲涅耳透镜的改进版本，菲涅耳透镜是一类透镜，它使用排列在平面上的棱镜的同心环来模拟没有体积的弯曲透镜的聚焦能力。菲涅耳透镜的概念——开发用于灯塔——可以追溯到 19 世纪，现代菲涅耳透镜由玻璃或塑料制成，用于汽车灯、微型光学器件和相机屏幕。

但是，虽然菲涅尔全息光学元件——通过将光敏塑料薄膜暴露在距胶片不同距离的两个光源下——并不少见，但现有的方法仅限于只能聚焦光的透镜，而不是将其分离成它的组成颜色。

通讯作者、伦斯勒物理学、应用物理学和天文学教授林说，这种新方法允许设计师将光聚焦到一个点上或将其分散成其组成颜色，从而产生纯色光谱。该方法使用两个彼此非常靠近的光源，它们会产生同心的光波——当它们向胶片传播时——要么相互叠加，要么相互抵消。这种会聚或干扰模式可以根据 Hsieh 开发的公式进行调整。它作为全息图像被打印或“记录”到胶片上，并且根据图像的结构，穿过全息光学元件的光要么被聚焦，要么被拉伸。

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