Anillos microscópicos concéntricos en la lente plana.(Crédito de la imagen: Menon Lab/University of Utah)
Ingenieros y astrónomos de la Universidad de Utah han diseñado un nuevo tipo único de lente de telescopio: una lente plana con grabados microscópicos para refractar la luz. Si el concepto puede ampliarse, estas lentes podrían sustituir algún día a las lentes y espejos más pesados y voluminosos que suelen utilizarse en los telescopios, sobre todo en los de los observatorios profesionales terrestres y espaciales. El equipo afirma que, más adelante, también podrían utilizarse en telescopios de aficionados.
«Nuestras técnicas computacionales sugirieron que podíamos diseñar lentes planas difractivas multinivel con grandes aberturas que podrían enfocar la luz en todo el espectro visible», afirma en un comunicado Rajesh Menon, profesor de ingeniería de Utah.
Existen dos tipos básicos de telescopio: refractores y reflectores. Un refractor utiliza lentes para refractar la luz y enfocarla. Los reflectores utilizan al menos dos espejos para reflejar la luz en un punto focal. Como las lentes grandes son pesadas y caras de fabricar, los telescopios más grandes tienden a utilizar espejos (a veces en combinación con lentes más pequeñas). Las lentes también pueden sufrir un malestar conocido como aberración cromática, en el que las distintas longitudes de onda de la luz se refractan en grados ligeramente diferentes, de modo que los distintos colores se enfocan en puntos diferentes, lo que produce franjas de color alrededor de los objetos. Los técnicos ópticos pueden paliar este problema mediante el complejo uso de revestimientos de cristal y lentes múltiples, aunque esto añade costes y gastos.
Sin embargo, los días de las voluminosas y caras lentes de telescopio podrían llegar pronto a su fin gracias a la nueva lente plana de menos de un milímetro de grosor desarrollada por un equipo dirigido por Apratim Majumder, miembro del laboratorio de Menon en Utah.
«Nuestra demostración es un paso más hacia la creación de lentes planas ligeras de gran apertura con capacidad para captar imágenes a todo color para su uso en telescopios aéreos y espaciales», afirma en el comunicado Apratim Majumder, miembro del laboratorio de Menon en Utah y líder del equipo que está detrás del prototipo de la nueva lente.
Majumder, Menon y su equipo diseñaron una lente plana de 100 mm (4 pulgadas) en la que se graban anillos concéntricos microscópicos en un sustrato de vidrio mediante una técnica llamada «litografía óptica en escala de grises», que es una variación de un método utilizado habitualmente para grabar componentes electrónicos en una oblea de silicio. La mayor parte del espesor de medio milímetro de la lente plana es el vidrio: las ranuras anilladas tienen sólo 2,4 micras de profundidad.
La lente plana de 100 mm con aberración cromática cero. (Crédito de la imagen: Menon Lab/University of Utah)
El uso de anillos concéntricos en una lente plana no es nuevo – un precursor, llamado placa de zona Fresnel, intenta hacer el mismo truco pero es incapaz de erradicar la aberración cromática. Sin embargo, la lente difractiva multinivel (MDL) del equipo de Utah es capaz de enfocar en el mismo punto todas las longitudes de onda de luz para las que fue diseñada (400-800 nanómetros, que cubren el rango de la luz visible hasta el infrarrojo cercano), gracias a cómo el tamaño de los anillos y el espaciado entre ellos afectan a la refracción de la luz entrante. Como todos los colores se enfocan en el mismo punto, no hay aberración cromática.
Cuando Hans Lippershey inventó el telescopio en 1608, lo hizo experimentando con la unión de lentes. Hoy en día, el diseño óptico de un telescopio implica complejos modelos informáticos y grandes cantidades de datos.
La lente plana se probó en un telescopio improvisado apuntando al sol y a la luna. (Crédito de la imagen: Menon Lab/University of Utah)
«Simular el rendimiento de estas lentes en un ancho de banda muy amplio, desde el visible hasta el infrarrojo cercano, supuso resolver complejos problemas computacionales que implicaban conjuntos de datos muy grandes», explica Majumder. «Una vez optimizado el diseño de las microestructuras de las lentes, el proceso de fabricación implicado exigía un control de procesos y una estabilidad ambiental muy estrictos».
El objetivo de 100 mm resultante, con una distancia focal de 200 mm, se probó tanto en el Sol como en la Luna, mostrando con éxito manchas solares y (en una imagen de color artificialmente mejorado) características geológicas precisas de la superficie lunar. El MDL de 100 mm pesa sólo 25 gramos, frente a los 211 gramos de un objetivo comercial de 100 mm de tamaño similar y 17 mm de grosor en su centro curvo.
El telescopio espacial Hubble utiliza un espejo primario de 2,4 metros con una masa total de 1.825 libras (828 kilogramos), y el telescopio espacial James Webb incorpora 18 segmentos en su espejo primario de 21 pies (6,5 metros) con un peso total (en la Tierra) de 1.555 libras (705 kilogramos). En la Tierra, los espejos de los telescopios individuales tienen un límite superior de tamaño de 8 a 10 metros, más allá del cual la gravedad empieza a hacer que se comben. Por tanto, el desarrollo de una lente plana y ligera podría transformar los telescopios, sobre todo para los lanzamientos espaciales, donde la masa es un factor limitante clave para salir de la Tierra.
La descripción de la lente plana MDL se publicó el 3 de febrero en la revista Applied Physics Letters.
