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太空望遠鏡激發(fā)了輕巧的柔性全息鏡頭

紐約州特洛伊——受用巨型太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)系外行星的概念的啟發(fā),一組研究人員正在開發(fā)全息透鏡,將可見光和紅外星光渲染成聚焦圖像或光譜。周四發(fā)表在《自然科學報告》上的一篇文章中詳細介紹了這種實驗方法,它可用于制造直徑數(shù)米的輕型柔性透鏡,可以滾動發(fā)射并在太空中展開。

“我們使用兩個球面光波來產(chǎn)生全息圖,這使我們能夠精確控制記錄在膠片上的衍射光柵,以及它對光的影響——要么以超高靈敏度分離光,要么以高分辨率聚焦光,”倫斯勒理工學院的訪問研究員、光學和光子學專家謝梅麗說,他建立了一個數(shù)學解決方案來控制全息圖的輸出。“我們相信該模型可能適用于需要極高光譜分辨率光譜的應用,例如系外行星的分析。”

Hsieh 還在國立陽明交通大學擔任教職,與倫斯勒物理學家 Shawn-Yu Lin 和 Heidi Jo Newberg 一起,與構思光學空間概念的藝術家和發(fā)明家 Thomas D. Ditto 合作望遠鏡擺脫了傳統(tǒng)的、笨重的玻璃反射鏡和透鏡。Ditto 于 1970 年代首次在倫斯勒工作,目前是天體物理學的訪問研究員。

必須發(fā)射到太空的望遠鏡(從不受地球大氣層阻礙的視野中受益)受到用于聚焦光線的玻璃鏡的重量和體積的限制,這些玻璃鏡的直徑實際上只能跨越幾米。相比之下,用于聚焦光線的輕型柔性全息透鏡——更恰當?shù)胤Q為“全息光學元件”——可能有幾十米寬。倫斯勒物理學、應用物理學和天文學教授紐伯格說,這種儀器可用于直接觀測系外行星,這是目前根據(jù)系外行星對其軌道恒星發(fā)出的光的影響來探測系外行星的方法的飛躍。

“為了找到地球 2.0,我們真的很想通過直接成像來觀察系外行星——我們需要能夠觀察恒星并看到行星與恒星分離。為此,我們需要高分辨率和非常大的望遠鏡,”天體物理學家和星系結(jié)構專家紐伯格說。

全息光學元件是菲涅耳透鏡的改進版本,菲涅耳透鏡是一類透鏡,它使用排列在平面上的棱鏡的同心環(huán)來模擬沒有體積的彎曲透鏡的聚焦能力。菲涅耳透鏡的概念——開發(fā)用于燈塔——可以追溯到 19 世紀,現(xiàn)代菲涅耳透鏡由玻璃或塑料制成,用于汽車燈、微型光學器件和相機屏幕。

但是,雖然菲涅爾全息光學元件——通過將光敏塑料薄膜暴露在距膠片不同距離的兩個光源下——并不少見,但現(xiàn)有的方法僅限于只能聚焦光的透鏡,而不是將其分離成它的組成顏色。

通訊作者、倫斯勒物理學、應用物理學和天文學教授林說,這種新方法允許設計師將光聚焦到一個點上或?qū)⑵浞稚⒊善浣M成顏色,從而產(chǎn)生純色光譜。該方法使用兩個彼此非??拷墓庠?,它們會產(chǎn)生同心的光波——當它們向膠片傳播時——要么相互疊加,要么相互抵消。這種會聚或干擾模式可以根據(jù) Hsieh 開發(fā)的公式進行調(diào)整。它作為全息圖像被打印或“記錄”到膠片上,并且根據(jù)圖像的結(jié)構,穿過全息光學元件的光要么被聚焦,要么被拉伸。

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