Lentille holographique flexible et légère : la voie vers les télescopes spatiaux de nouvelle génération

Inspirés par un concept pour découvrir des exoplanètes avec un télescope spatial géant, une équipe de chercheurs développe des lentilles holographiques qui transforment la lumière visible et infrarouge des étoiles en une image focalisée ou un spectre. Cette méthode expérimentale pourrait être utilisée pour créer une lentille flexible légère, de plusieurs mètres de diamètre, qui pourrait être enroulée pour le lancement et déployée dans l'espace.

Deux ondes sphériques de lumière sont utilisées pour produire l'hologramme, ce qui donne un contrôle fin sur le réseau diffractif enregistré sur le film et l'effet qu'il a sur la lumière — soit en séparant la lumière avec une sensibilité extrême, soit en la focalisant avec une haute résolution. Les chercheurs pensent que ce modèle pourrait être utile dans les applications nécessitant une spectroscopie à résolution spectrale extrêmement élevée, comme l'analyse d'exoplanètes.

Les télescopes qui doivent être lancés dans l'espace (pour bénéficier d'une vue non entravée par l'atmosphère terrestre) sont limités par le poids et le volume des miroirs en verre utilisés pour focaliser la lumière. Ces miroirs ne peuvent réellement s'étendre que sur quelques mètres de diamètre. En revanche, la lentille holographique flexible légère — plus proprement appelée « élément optique holographique » — utilisée pour focaliser la lumière pourrait faire des dizaines de mètres de diamètre. Un tel instrument pourrait être utilisé pour observer directement une exoplanète, un bond par rapport aux méthodes actuelles qui détectent les exoplanètes en fonction de leur effet sur la lumière provenant de l'étoile qu'elles orbitent.

« 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 télescope vraiment grand », déclare le professeur Heidi Jo Newberg.

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 focalisation d'une lentille courbe sans le volume. Le concept de la lentille de Fresnel — développée pour une utilisation dans les phares — remonte au 19e siècle, avec des lentilles de Fresnel modernes en verre ou plastique trouvées dans les lampes automobiles, la micro-optique et les écrans de caméra.

Mais si les éléments optiques holographiques de Fresnel — créés en exposant un film photosensible à deux sources de lumière à différentes distances du film — ne sont pas rares, les méthodes existantes se sont limitées à des lentilles qui ne pouvaient que focaliser la lumière, plutôt que la séparer en ses couleurs constitutives.

La nouvelle méthode permet aux concepteurs de soit focaliser la lumière sur un point unique, soit de la disperser en ses couleurs constitutives, produisant un spectre de couleurs pures. La méthode utilise deux sources de lumière, positionnées très près l'une de l'autre, qui créent des ondes concentriques de lumière qui — alors qu'elles voyagent vers le film — se renforcent ou s'annulent mutuellement. Ce motif de convergence ou d'interférence peut être ajusté sur la base de formules développées par le professeur invité Mei-Li Hsieh. Il est imprimé, ou « enregistré », sur le film comme une image holographique et, selon la structure de l'image, la lumière passant à travers l'élément optique holographique est soit focalisée, soit étirée.