Konzentrische mikroskopische Ringe auf der flachen Linse. (Bildnachweis: Menon Lab/Universität Utah)
Ingenieure und Astronomen der University of Utah haben eine neuartige Teleskoplinse entwickelt: eine flache Linse mit mikroskopischen Gravuren, die Licht brechen. Sollte das Konzept skalierbar sein, könnten diese Linsen eines Tages die schwereren und sperrigeren Linsen und Spiegel ersetzen, die üblicherweise in Teleskopen verwendet werden – insbesondere in professionellen Observatorien auf der Erde und im Weltraum. Langfristig könnten sie auch in Amateurteleskopen zum Einsatz kommen, so das Team.
„Unsere Berechnungsmethoden deuteten darauf hin, dass wir mehrstufige diffraktive Flachlinsen mit großen Öffnungen entwickeln könnten, die Licht über das gesamte sichtbare Spektrum hinweg bündeln können“, erklärte Rajesh Menon, Professor für Ingenieurwissenschaften in Utah, in einer Stellungnahme.
Es gibt zwei grundlegende Arten von Teleskopen: Refraktoren und Reflektoren. Ein Refraktor verwendet Linsen, um Licht zu brechen und es in einem Brennpunkt zu bündeln. Reflektoren hingegen nutzen mindestens zwei Spiegel, um das Licht auf einen Fokuspunkt zu reflektieren. Da große Linsen schwer und teuer in der Herstellung sind, verwenden größere Teleskope oft Spiegel, manchmal in Kombination mit kleineren Linsen.
Linsen können zudem unter einem Problem leiden, das als chromatische Aberration bekannt ist. Dabei werden unterschiedliche Wellenlängen des Lichts leicht unterschiedlich gebrochen, sodass verschiedene Farben an verschiedenen Punkten fokussiert werden. Dies führt zu farbigen Rändern um Objekte herum. Optiktechniker können dieses Problem durch den komplexen Einsatz von Glasbeschichtungen und mehreren Linsen mildern – was jedoch die Kosten erhöht.
Die Tage von sperrigen und teuren Teleskopobjektiven könnten jedoch bald vorbei sein, dank einer neuen, flachen Linse, die weniger als einen Millimeter dick ist. Diese wurde von einem Team unter der Leitung von Apratim Majumder entwickelt, der Mitglied in Menons Labor in Utah ist.
„Unsere Demonstration ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Herstellung von sehr großen, leichten und flachen Linsen, die in der Lage sind, Vollfarbbilder für den Einsatz in erd- und weltraumgestützten Teleskopen zu erfassen“, sagte Apratim Majumder, ein Mitglied von Menons Labor in Utah und Leiter des Teams hinter dem neuen Linsenprototyp, in der Erklärung.
Majumder, Menon und ihr Team entwickelten eine 100 mm (4 Zoll) flache Linse, bei der mikroskopisch kleine konzentrische Ringe mit einer Technik namens „Graustufen-optische Lithographie“ auf ein Glassubstrat geätzt werden. Diese Methode ist eine Abwandlung eines Verfahrens, das normalerweise zum Ätzen von Elektronik auf Siliziumwafern verwendet wird. Der größte Teil der halben Millimeter dicken flachen Linse besteht aus Glas – die gerillten Vertiefungen sind nur 2,4 Mikrometer tief.
Konzentrische mikroskopische Ringe auf der flachen Linse. (Bildnachweis: Menon Lab/Universität Utah)
Die Verwendung konzentrischer Ringe auf einer flachen Linse ist nichts Neues – ein Vorläufer, bekannt als Fresnel-Zonenplatte, versucht denselben Effekt zu erzielen, schafft es jedoch nicht, die chromatische Aberration zu beseitigen. Das Team aus Utah hat jedoch eine mehrstufige diffraktive Linse (MDL) entwickelt, die alle Wellenlängen des Lichts, für die sie ausgelegt ist (400–800 Nanometer, was den Bereich des sichtbaren Lichts und das nahe Infrarot abdeckt), dank der Größe der Ringe und des Abstands zwischen ihnen, der beeinflusst, wie das einfallende Licht gebrochen wird, auf denselben Punkt fokussieren kann. Da alle Farben auf denselben Punkt fokussiert werden, gibt es keine chromatische Aberration.
Als Hans Lippershey das Teleskop im Jahr 1608 erfand, experimentierte er mit der Kombination von Linsen. Heute basiert das optische Design eines Teleskops auf komplexen Computermodellen und großen Datenmengen.
Konzentrische mikroskopische Ringe auf der flachen Linse. (Bildnachweis: Menon Lab/Universität Utah)
„Die Simulation der Leistung dieser Linsen über ein sehr breites Spektrum, von sichtbarem Licht bis hin zu nahem Infrarot, erforderte die Lösung komplexer Rechenprobleme mit sehr großen Datensätzen“, erklärte Majumder. „Sobald wir das Design der Mikrostrukturen der Linse optimiert hatten, war ein äußerst präziser Prozess und eine stabile Umgebung für die Herstellung notwendig.“
Das resultierende 100-mm-Objektiv mit einer Brennweite von 200 mm wurde sowohl an der Sonne als auch am Mond getestet. Dabei konnten erfolgreich Sonnenflecken sowie (in einem künstlich farbverstärkten Bild) präzise geologische Merkmale auf der Mondoberfläche dargestellt werden. Das 100-mm-MDL wiegt lediglich 25 Gramm (0,88 Unzen), während ein handelsübliches 100-mm-Objektiv ähnlicher Größe, das an seiner gewölbten Mitte 17 mm dick ist, 211 Gramm (7,44 Unzen) wiegt.
Das Hubble-Weltraumteleskop verfügt über einen Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 2,4 Metern und einer Gesamtmasse von 1.825 Pfund (828 Kilogramm). Das James-Webb-Weltraumteleskop hingegen besteht aus 18 Segmenten, die zusammen einen Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 21 Fuß (6,5 Metern) bilden und auf der Erde insgesamt 1.555 Pfund (705 Kilogramm) wiegen. Auf der Erde gibt es für einzelne Teleskopspiegel eine Obergrenze von 26 bis 33 Fuß (8 bis 10 Metern), da darüber hinaus die Schwerkraft dazu führt, dass sie sich verformen. Die Entwicklung einer flachen, leichten Linse könnte daher Teleskope revolutionieren, insbesondere für Weltraumstarts, bei denen die Masse ein entscheidender limitierender Faktor ist, um die Erde zu verlassen.
Eine Beschreibung der flachen MDL-Linse wurde am 3. Februar in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht.
