Per la prima volta, è stata prodotta una lente telescopica piatta che rappresenta accuratamente i colori, offrendo un modo per realizzare lenti meno ingombranti che potrebbero essere inviate nello spazio a basso costo. I primi telescopi utilizzavano lenti, note come telescopi rifrattori. Gli strumenti piccoli – sia per astronomi dilettanti che per persone desiderose di osservare montagne lontane o spiare i vicini – sono ancora per lo più realizzati in questo modo. Tuttavia, la maggior parte degli strumenti più grandi – dai telescopi da giardino per gli amatori più seri agli enormi strumenti in cima alle montagne per esplorare l’universo – ora adottano il metodo di Newton di curvare gli specchi (riflettori). Questo perché, man mano che le lenti diventano più larghe per catturare più luce, diventano anche più ingombranti. Tra i costi di tutto quel vetro e le sfide di sostenere e trasportare il peso, i telescopi con lenti sono di solito troppo costosi e scomodi oltre una certa dimensione.
Il professor Rajesh Menon dell’Università dello Utah guida un team che potrebbe avere un modo per cambiare questo, almeno per gli strumenti basati nello spazio. Le lenti rifrattive tradizionali usano la loro curvatura per piegare la luce. L’intuizione rivoluzionaria che ha ispirato il telescopio è stata che due lenti in successione potevano essere utilizzate per creare immagini ingrandite di oggetti distanti. Più larga è la lente, più luce cattura, permettendoci di vedere cose troppo deboli per l’occhio da solo; mentre una lente più spessa consente una maggiore piegatura della luce, aumentando l’ingrandimento. Oltre alla rifrazione e alla riflessione, la luce può cambiare il suo percorso attraverso la diffrazione, il che significa che c’è un terzo modo per mettere a fuoco un’immagine. Ad esempio, le piastre di zona di Fresnel (FZP) mettono a fuoco con creste concentriche diffrattive, ma l’output del colore è altamente distorto. Le lenti ordinarie rifrangono i diversi colori a angoli leggermente diversi, producendo anelli di colore intorno alle immagini, ma le FZP sono molto peggiori in questo senso, ingrandendo efficacemente solo la lunghezza d’onda per cui sono ottimizzate. Il colore ci dice molto sulla natura dell’oggetto che stiamo osservando, quindi questo è un problema importante, ben oltre la perdita di immagini belle. Sebbene una lente diffrattiva sia in uso per l’astronomia, funziona efficacemente solo per la luce arancione e rossa, imponendo grandi limitazioni.
Menon e i coautori hanno modellato 20.000 anelli diffrattivi su una lastra di vetro in un modo che consente di ingrandire insieme una gamma di lunghezze d’onda. Gli anelli hanno separazioni più piccole delle lunghezze d’onda che piegano e necessitano di un posizionamento quasi perfetto, ma i progressi nella produzione fine rendono questo molto più fattibile di quanto non fosse in passato. La luce gioca sulla lente, producendo colori come quelli su un CD, il che non sorprende poiché anche questi hanno anelli abbastanza sottili da produrre luce diffratta, sebbene non in modi così precisi. La luce che rimbalza sulla superficie della lente produce un arcobaleno di colori come un CD, ma con una precisione molto maggiore.
“Simulare le prestazioni di queste lenti su una larghezza di banda molto ampia, dal visibile al vicino infrarosso, ha comportato la risoluzione di complessi problemi computazionali che coinvolgono set di dati molto grandi,” ha detto in una dichiarazione il primo autore Dr. Apratim Majumder dell’Università dello Utah. Il team ha dimostrato la fattibilità dell’approccio utilizzando una lente di diametro di 100 millimetri (4 pollici) – proprio al punto in cui i riflettori tendono a prendere il sopravvento sui rifrattori nel mercato domestico – e ha scattato immagini del Sole e della Luna. Fondamentalmente, mentre montata su un supporto più spesso, la diffrazione è ottenuta con anelli al massimo di 2,4 μm di altezza, molto più sottili di un capello umano. “Una volta ottimizzato il design delle microstrutture della lente, il processo di produzione ha richiesto un controllo del processo molto rigoroso e una stabilità ambientale,” ha detto Majumder. La lente ha dimostrato la sua idoneità per tutte le lunghezze d’onda visibili tranne il violetto più profondo, e persino leggermente nell’infrarosso. Tuttavia, il team ha ambizioni molto più grandi. “La nostra dimostrazione è un trampolino di lancio verso la creazione di lenti piatte leggere con aperture molto grandi, capaci di catturare immagini a colori per l’uso in telescopi aerei e spaziali,” ha detto Majumder.
Ogni grammo conta quando si inviano oggetti nello spazio, mentre i telescopi trasportati a bordo di palloni o aerei devono essere compatti. Sebbene i telescopi riflettenti possano essere molto più leggeri dei rifrattori di dimensioni simili, diventano comunque molto pesanti a grandi dimensioni. Inoltre, le distorsioni create dallo specchio secondario o le imperfezioni nel primario significano che hanno i loro svantaggi, che queste lenti diffrattive potrebbero evitare. “Se avrà successo, queste lenti piatte potrebbero portare a sistemi di imaging aereo e spaziale più semplici e economici per l’astronomia e l’osservazione della Terra,” ha detto Menon in un articolo di accompagnamento. Ha detto a IFLScience che il team sta ”lavorando su lenti piatte più grandi. Credo che diventeranno fattibili, ma ci vorrà del tempo prima che possiamo ottenere il costo di produzione molto più economico di quello degli specchi,” rendendo queste lenti competitive per gli astronomi dilettanti. Tuttavia, Menon ha aggiunto, “Ma ovviamente potrei sbagliarmi di grosso.”