Durante siglos, las lentes han funcionado de la misma manera: vidrio o plástico curvado que dobla la luz para enfocar las imágenes. Pero las lentes tradicionales tienen un gran inconveniente: cuanto más potentes deben ser, más voluminosas y pesadas se vuelven.
Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de reducir el peso de las lentes sin sacrificar la funcionalidad. Y aunque existen algunas alternativas más delgadas, tienden a ser limitadas en su capacidad y, por lo general, son difíciles y costosas de fabricar.
Una nueva investigación del profesor de ingeniería de la Universidad de Utah Rajesh Menon y sus colegas de la Facultad de Ingeniería Price ofrece una solución prometedora aplicable a los telescopios y la astrofotografía: una lente plana de gran apertura que enfoca la luz con la misma eficacia que las lentes curvas tradicionales, al tiempo que conserva la precisión del color.
El estudio, «Astrofotografía en color con una lente plana de polímero de 100 mm de diámetro f/2», aparece en Applied Physics Letters.
Esta tecnología podría transformar los sistemas de imágenes astrofotográficas, especialmente en aplicaciones en las que el espacio es un bien escaso, como en aviones, satélites y telescopios espaciales.
El estudio fue dirigido por Apratim Majumder, miembro del Laboratorio Menon y profesor asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática. Entre los coautores se incluyen Alexander Ingold y Monjurul Meem, miembros del Laboratorio Menon, Tanner Obray y Paul Ricketts del Departamento de Física y Astronomía, y Nicole Brimhall de Oblate Optics.
Las lentes desvían la luz para hacer que los objetos parezcan más grandes. Cuanto más gruesa y pesada sea la lente, más desvía la luz y mayor será el aumento. Para las cámaras de uso diario y los telescopios de jardín, el grosor de la lente no es un gran problema.
Pero cuando los telescopios deben enfocar la luz de galaxias a millones de años luz de distancia, el volumen de sus lentes se vuelve poco práctico. Es por eso que los telescopios de observatorios y espaciales dependen de espejos curvos masivos para lograr el mismo efecto de desvío de la luz, ya que pueden hacerse mucho más delgados y livianos que las lentes.
Los científicos también han tratado de resolver el problema del volumen diseñando lentes planas, que manipulan la luz de una manera diferente.
Un tipo existente, llamado placa de zona de Fresnel (FZP), utiliza crestas concéntricas para enfocar la luz, en lugar de una superficie gruesa y curva. Si bien este método crea una lente liviana y compacta, tiene una desventaja: no puede producir colores verdaderos. En lugar de doblar todas las longitudes de onda de la luz visible en el mismo ángulo, las crestas de una FZP las difractan en diferentes ángulos, lo que da como resultado una imagen con aberraciones cromáticas o distorsiones de color.
Entran en escena Rajesh Menon y su equipo en la U. Su nueva lente plana ofrece el mismo poder de desviar la luz que las lentes curvas tradicionales, al tiempo que evita las distorsiones de color de las FZP.
«Nuestras técnicas computacionales sugirieron que podíamos diseñar lentes planas difractivas de múltiples niveles con grandes aperturas que pudieran enfocar la luz a través del espectro visible y tenemos los recursos en Utah Nanofab para realmente fabricarlas», dijo Menon, quien dirige el Laboratorio de Nanotecnologías Ópticas de la U.
La innovación clave reside en los anillos concéntricos microscópicamente pequeños que los investigadores pueden modelar sobre el sustrato. A diferencia de las crestas de los FZP, que están optimizadas para una única longitud de onda, el tamaño y el espaciado de las hendiduras de la lente plana mantienen las longitudes de onda de la luz difractada lo suficientemente cerca como para producir una imagen a todo color y enfocada.
«Simular el rendimiento de estas lentes en un ancho de banda muy grande, desde el visible hasta el infrarrojo cercano, implicó resolver problemas computacionales complejos que involucraban conjuntos de datos muy grandes», dijo Majumder.
«Una vez que optimizamos el diseño de las microestructuras de la lente, el proceso de fabricación involucrado requirió un control de proceso y estabilidad ambiental muy estrictos».
Una lente grande, plana y con colores precisos podría tener implicaciones enormes en todas las industrias, pero su aplicación más inmediata es en la astronomía. Los investigadores demostraron las capacidades de su lente plana con imágenes de prueba del sol y la luna.
«Nuestra demostración es un paso adelante hacia la creación de lentes planas livianas de gran apertura con capacidad de capturar imágenes a todo color para su uso en telescopios aéreos y espaciales», dijo Majumder.
Con información de Applied Physics Letters
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