Inspirée par un concept de découverte d’exoplanètes avec un télescope spatial géant, une équipe de chercheurs développe des lentilles holographiques qui rendent la lumière visible et infrarouge des étoiles en une image focalisée ou un spectre. La méthode expérimentale, détaillée dans un article publié le 21 octobre 2021 dans Rapports scientifiques sur la nature, pourrait être utilisé pour créer une lentille flexible légère, de plusieurs mètres de diamètre, qui pourrait être enroulée pour le lancement et déployée dans l’espace.
« Nous utilisons deux ondes lumineuses sphériques pour produire l’hologramme, ce qui nous permet de contrôler précisément le réseau de diffraction enregistré sur le film et l’effet qu’il a sur la lumière : soit en séparant la lumière avec une super sensibilité, soit en focalisant la lumière avec une haute résolution » a déclaré Mei-Li Hsieh, chercheur invité à l’Institut polytechnique Rensselaer et expert en optique et photonique qui a établi une solution mathématique pour régir la sortie de l’hologramme. “Nous pensons que ce modèle pourrait être utile dans des applications qui nécessitent une spectroscopie à résolution spectrale extrêmement élevée, telles que l’analyse d’exoplanètes.”
Hsieh, qui occupe également un poste de professeur à l’Université nationale Yang Ming Chiao Tung à Taiwain, avec les physiciens Rensselaer Shawn-Yu Lin et Heidi Jo Newberg, a travaillé avec Thomas D. Ditto, un artiste et inventeur qui a conçu l’idée d’un espace optique télescope sans miroirs et lentilles en verre conventionnels et lourds. Idem a travaillé pour la première fois chez Rensselaer dans les années 1970 et est actuellement chercheur invité en astrophysique.
Une lentille flexible légère peut focaliser la lumière ou la séparer en ses couleurs constitutives. Crédit : Institut polytechnique Rensselaer
Les télescopes qui doivent être lancés dans l’espace (pour bénéficier d’une vue dégagée de l’atmosphère terrestre) sont limités par le poids et l’encombrement des miroirs en verre utilisés pour focaliser la lumière, qui peuvent s’étendre de manière réaliste sur quelques mètres de diamètre. En revanche, la lentille holographique flexible et légère – plus précisément appelée “élément optique holographique” – utilisée pour focaliser la lumière pourrait mesurer des dizaines de mètres de diamètre. Un tel instrument pourrait être utilisé pour observer directement un exoplanète, un bond par rapport aux méthodes actuelles qui détectent les exoplanètes en fonction de leur effet sur la lumière provenant de l’étoile sur laquelle elles orbitent, a déclaré Newberg, professeur de physique, de physique appliquée et d’astronomie à Rensselaer.
“Pour trouver la Terre 2.0, nous voulons vraiment voir les exoplanètes par imagerie directe – nous devons être capables de regarder l’étoile et de voir la planète séparée de l’étoile. Et pour cela, nous avons besoin d’une haute résolution et d’un très grand télescope », a déclaré Newberg, astrophysicien et expert en structure galactique.
L’élément optique holographique est une version raffinée d’une lentille de Fresnel, une catégorie de lentilles qui utilisent des anneaux concentriques de prismes disposés dans un plan plat pour imiter la capacité de mise au point d’une lentille incurvée sans encombrement. Le concept de la lentille de Fresnel – qui a été développé pour être utilisé dans les phares – remonte au 19ème siècle, avec des lentilles de Fresnel modernes en verre ou en plastique trouvées dans les lampes automobiles, les micro-optiques et les écrans de caméra.
Mais alors que les éléments optiques holographiques de Fresnel – créés en exposant un film plastique photosensible à deux sources de lumière à des distances différentes du film – ne sont pas rares, les méthodes existantes se limitaient à des lentilles qui ne pouvaient focaliser que la lumière, plutôt que de la séparer en son couleurs constituantes.
La nouvelle méthode permet aux concepteurs de concentrer la lumière sur un seul point ou de la disperser dans ses couleurs constitutives, produisant un spectre de couleurs pures, a déclaré Lin, auteur correspondant et professeur de physique, de physique appliquée et d’astronomie à Rensselaer. La méthode utilise deux sources de lumière, positionnées très près l’une de l’autre, qui créent des ondes de lumière concentriques qui, lorsqu’elles se déplacent vers le film, se construisent ou s’annulent. Ce modèle de convergence ou d’interférence peut être réglé sur la base des formules développées par Hsieh. Elle est imprimée ou « enregistrée » sur le film sous forme d’image holographique et, selon la manière dont l’image est structurée, la lumière passant à travers l’élément optique holographique est soit focalisée, soit étirée.
« Nous voulions étirer la lumière, afin de pouvoir la séparer en différentes longueurs d’onde. N’importe quelle lentille de Fresnel étirera un peu la lumière, mais pas assez », a déclaré Lin, expert en cristaux photoniques et nano-photonique. “Avec notre méthode, nous pouvons avoir une super résolution à une extrémité, ou super sensible – avec chaque couleur séparée. Quand la lumière est étirée comme ça, la couleur est très bonne, aussi pure et aussi vive que possible. »
Référence : « Réalisation expérimentale d’un hologramme de Fresnel en tant qu’élément optique à super résolution spectrale » par Mei-Li Hsieh, Thomas D. Ditto, Yi-Wen Lee, Shiuan-Huei Lin, Heidi J. Newberg et Shawn-Yu Lin, 21 octobre 2021 , Rapports scientifiques.
DOI : 10.1038/s41598-021-99955-w
Hsieh, Newberg, Lin et Ditto ont été rejoints dans la recherche par Yi-Wen Lee et Shiuan-Huei Lin de l’Université nationale Yang Ming Chiao Tung. L’étude a été réalisée avec le soutien de la Nasa Programme Innovative Advanced Concepts (NIAC) et une subvention du ministère de l’Éducation de Taïwan.
