Các kỹ sư và nhà thiên văn học tại Đại học Utah đã thiết kế một loại thấu kính kính thiên văn mới độc đáo: một thấu kính phẳng với các bản khắc cực nhỏ để khúc xạ ánh sáng. Nếu khái niệm này có thể được mở rộng, một ngày nào đó những thấu kính này có thể thay thế các thấu kính và gương nặng hơn, cồng kềnh hơn thường được sử dụng trong kính thiên văn, đặc biệt là các đài quan sát chuyên nghiệp trên mặt đất và trong không gian. Nhóm nghiên cứu cho biết về sau, chúng cũng có thể được triển khai trên kính thiên văn nghiệp dư.
"Các kỹ thuật tính toán của chúng tôi cho thấy chúng tôi có thể thiết kế thấu kính phẳng nhiễu xạ đa cấp với khẩu độ lớn có thể hội tụ ánh sáng trên toàn bộ quang phổ khả kiến", Rajesh Menon, giáo sư kỹ thuật tại Utah, cho biết trong tuyên bố.
Có hai loại kính thiên văn cơ bản: kính khúc xạ và kính phản xạ. Kính khúc xạ sử dụng thấu kính để khúc xạ ánh sáng và đưa ánh sáng đến tiêu điểm. Các tấm phản xạ sử dụng ít nhất hai gương để phản xạ ánh sáng đến một điểm hội tụ. Vì thấu kính lớn nặng và đắt tiền nên các kính thiên văn lớn hơn có xu hướng sử dụng gương (đôi khi kết hợp với thấu kính nhỏ hơn). Các thấu kính cũng có thể bị một tình trạng khó chịu được gọi là quang sai màu, trong đó các bước sóng ánh sáng khác nhau bị khúc xạ ở các mức độ hơi khác nhau khiến các màu khác nhau hội tụ tại các điểm khác nhau, dẫn đến viền màu xung quanh các vật thể. Các kỹ thuật viên quang học có thể khắc phục tình trạng này thông qua việc sử dụng phức tạp các lớp phủ kính và nhiều thấu kính — mặc dù điều đó làm tăng chi phí và tốn kém.
Tuy nhiên, thời đại của những thấu kính kính thiên văn cồng kềnh, đắt tiền có thể sớm kết thúc nhờ thấu kính phẳng mới của nhóm nghiên cứu có độ dày chưa đến một milimét. được phát triển bởi một nhóm do Apratim Majumder, thành viên phòng thí nghiệm của Menon tại Utah, đứng đầu.
"Cuộc trình diễn của chúng tôi là bước đệm hướng tới việc tạo ra các ống kính phẳng nhẹ, khẩu độ rất lớn có khả năng chụp ảnh đầy đủ màu sắc để sử dụng trong kính viễn vọng trên không và ngoài vũ trụ", Apratim Majumder, thành viên phòng thí nghiệm của Menon tại Utah và là trưởng nhóm đứng sau nguyên mẫu ống kính mới, cho biết trong tuyên bố.
Majumder, Menon và nhóm của họ đã thiết kế một ống kính phẳng 100 mm (4 inch), trong đó các vòng đồng tâm cực nhỏ được khắc lên một chất nền thủy tinh bằng một kỹ thuật gọi là "khắc quang học thang độ xám", một biến thể của phương pháp thường được sử dụng để khắc các thiết bị điện tử lên một tấm wafer silicon. Phần lớn độ dày nửa milimét của thấu kính phẳng là lớp kính — các rãnh hình vòng chỉ sâu 2,4 micron.
Việc sử dụng các vòng đồng tâm trên thấu kính phẳng không phải là mới — một tiền thân, được gọi là tấm vùng Fresnel, cố gắng thực hiện thủ thuật tương tự nhưng không thể loại bỏ được quang sai màu. Tuy nhiên, thấu kính nhiễu xạ đa cấp (MDL) của nhóm Utah có thể đưa tất cả các bước sóng ánh sáng mà nó được thiết kế để phát hiện (400–800 nanomet, bao phủ phạm vi ánh sáng khả kiến và vào vùng cận hồng ngoại) đến một tiêu điểm tại cùng một điểm, nhờ vào cách kích thước của các vòng và khoảng cách giữa chúng ảnh hưởng đến cách ánh sáng đi vào bị khúc xạ. Vì tất cả các màu sắc đều hội tụ tại cùng một điểm nên không có quang sai màu.
Quay trở lại thời điểm kính thiên văn được Hans Lippershey phát minh vào năm 1608, người ta đã thực hiện điều đó bằng cách thử nghiệm lắp ráp các thấu kính lại với nhau. Ngày nay, thiết kế quang học của kính thiên văn liên quan đến mô hình máy tính phức tạp và lượng dữ liệu lớn.
"Mô phỏng hiệu suất của các thấu kính này trên băng thông rất lớn, từ khả kiến đến cận hồng ngoại, liên quan đến việc giải quyết các vấn đề tính toán phức tạp liên quan đến các tập dữ liệu rất lớn", Majumder cho biết. "Sau khi chúng tôi tối ưu hóa thiết kế các cấu trúc vi mô của thấu kính, quy trình sản xuất liên quan đòi hỏi phải kiểm soát quy trình rất nghiêm ngặt và tính ổn định của môi trường".
Ống kính 100mm thu được, có tiêu cự 200mm, sau đó được thử nghiệm trên cả mặt trời và mặt trăng, cho thấy thành công các vết đen mặt trời và (trong hình ảnh được tăng cường màu nhân tạo) các đặc điểm địa chất chính xác trên bề mặt mặt trăng. Ống kính MDL 100mm chỉ nặng 25 gram (0,88 oz), so với 211 gram (7,44 oz) của ống kính 100mm có kích thước tương tự, có bán trên thị trường, dày 17mm ở phần trung tâm cong.
Câu chuyện liên quan:
— Xem cách SpaceX sản xuất 15.000 bộ internet vệ tinh Starlink mỗi ngày
— Máy ảnh kỹ thuật số lớn nhất thế giới giúp Đài quan sát Vera Rubin mới tạo ra 'kỷ lục tua nhanh thời gian của vũ trụ'
— Tàu vũ trụ Varda trở về Trái đất trong lần hạ cánh thương mại đầu tiên tại vùng Outback của Úc
Kính viễn vọng không gian Hubble sử dụng gương chính 2,4 mét với tổng khối lượng là 1.825 pound (828 kg), và Kính viễn vọng không gian James Webb kết hợp 18 phân đoạn trong gương chính dài 21 foot (6,5 mét) với tổng trọng lượng (trên Trái đất) là 1.555 pound (705 kg). Trên Trái đất, các gương kính viễn vọng riêng lẻ có giới hạn kích thước trên là 26-33 foot (8–10 mét), vượt quá giới hạn này, lực hấp dẫn bắt đầu khiến chúng bị võng xuống. Do đó, việc phát triển một thấu kính phẳng, nhẹ có thể biến đổi kính thiên văn, đặc biệt là đối với các vụ phóng tàu vũ trụ khi khối lượng là yếu tố hạn chế chính để rời khỏi Trái đất.
Mô tả về thấu kính MDL phẳng đã được công bố vào ngày 3 tháng 2 trên tạp chí Thư Vật lý Ứng dụng.
"Các kỹ thuật tính toán của chúng tôi cho thấy chúng tôi có thể thiết kế thấu kính phẳng nhiễu xạ đa cấp với khẩu độ lớn có thể hội tụ ánh sáng trên toàn bộ quang phổ khả kiến", Rajesh Menon, giáo sư kỹ thuật tại Utah, cho biết trong tuyên bố.
Có hai loại kính thiên văn cơ bản: kính khúc xạ và kính phản xạ. Kính khúc xạ sử dụng thấu kính để khúc xạ ánh sáng và đưa ánh sáng đến tiêu điểm. Các tấm phản xạ sử dụng ít nhất hai gương để phản xạ ánh sáng đến một điểm hội tụ. Vì thấu kính lớn nặng và đắt tiền nên các kính thiên văn lớn hơn có xu hướng sử dụng gương (đôi khi kết hợp với thấu kính nhỏ hơn). Các thấu kính cũng có thể bị một tình trạng khó chịu được gọi là quang sai màu, trong đó các bước sóng ánh sáng khác nhau bị khúc xạ ở các mức độ hơi khác nhau khiến các màu khác nhau hội tụ tại các điểm khác nhau, dẫn đến viền màu xung quanh các vật thể. Các kỹ thuật viên quang học có thể khắc phục tình trạng này thông qua việc sử dụng phức tạp các lớp phủ kính và nhiều thấu kính — mặc dù điều đó làm tăng chi phí và tốn kém.
Tuy nhiên, thời đại của những thấu kính kính thiên văn cồng kềnh, đắt tiền có thể sớm kết thúc nhờ thấu kính phẳng mới của nhóm nghiên cứu có độ dày chưa đến một milimét. được phát triển bởi một nhóm do Apratim Majumder, thành viên phòng thí nghiệm của Menon tại Utah, đứng đầu.
"Cuộc trình diễn của chúng tôi là bước đệm hướng tới việc tạo ra các ống kính phẳng nhẹ, khẩu độ rất lớn có khả năng chụp ảnh đầy đủ màu sắc để sử dụng trong kính viễn vọng trên không và ngoài vũ trụ", Apratim Majumder, thành viên phòng thí nghiệm của Menon tại Utah và là trưởng nhóm đứng sau nguyên mẫu ống kính mới, cho biết trong tuyên bố.
Majumder, Menon và nhóm của họ đã thiết kế một ống kính phẳng 100 mm (4 inch), trong đó các vòng đồng tâm cực nhỏ được khắc lên một chất nền thủy tinh bằng một kỹ thuật gọi là "khắc quang học thang độ xám", một biến thể của phương pháp thường được sử dụng để khắc các thiết bị điện tử lên một tấm wafer silicon. Phần lớn độ dày nửa milimét của thấu kính phẳng là lớp kính — các rãnh hình vòng chỉ sâu 2,4 micron.
Việc sử dụng các vòng đồng tâm trên thấu kính phẳng không phải là mới — một tiền thân, được gọi là tấm vùng Fresnel, cố gắng thực hiện thủ thuật tương tự nhưng không thể loại bỏ được quang sai màu. Tuy nhiên, thấu kính nhiễu xạ đa cấp (MDL) của nhóm Utah có thể đưa tất cả các bước sóng ánh sáng mà nó được thiết kế để phát hiện (400–800 nanomet, bao phủ phạm vi ánh sáng khả kiến và vào vùng cận hồng ngoại) đến một tiêu điểm tại cùng một điểm, nhờ vào cách kích thước của các vòng và khoảng cách giữa chúng ảnh hưởng đến cách ánh sáng đi vào bị khúc xạ. Vì tất cả các màu sắc đều hội tụ tại cùng một điểm nên không có quang sai màu.
Quay trở lại thời điểm kính thiên văn được Hans Lippershey phát minh vào năm 1608, người ta đã thực hiện điều đó bằng cách thử nghiệm lắp ráp các thấu kính lại với nhau. Ngày nay, thiết kế quang học của kính thiên văn liên quan đến mô hình máy tính phức tạp và lượng dữ liệu lớn.
"Mô phỏng hiệu suất của các thấu kính này trên băng thông rất lớn, từ khả kiến đến cận hồng ngoại, liên quan đến việc giải quyết các vấn đề tính toán phức tạp liên quan đến các tập dữ liệu rất lớn", Majumder cho biết. "Sau khi chúng tôi tối ưu hóa thiết kế các cấu trúc vi mô của thấu kính, quy trình sản xuất liên quan đòi hỏi phải kiểm soát quy trình rất nghiêm ngặt và tính ổn định của môi trường".
Ống kính 100mm thu được, có tiêu cự 200mm, sau đó được thử nghiệm trên cả mặt trời và mặt trăng, cho thấy thành công các vết đen mặt trời và (trong hình ảnh được tăng cường màu nhân tạo) các đặc điểm địa chất chính xác trên bề mặt mặt trăng. Ống kính MDL 100mm chỉ nặng 25 gram (0,88 oz), so với 211 gram (7,44 oz) của ống kính 100mm có kích thước tương tự, có bán trên thị trường, dày 17mm ở phần trung tâm cong.
Câu chuyện liên quan:
— Xem cách SpaceX sản xuất 15.000 bộ internet vệ tinh Starlink mỗi ngày
— Máy ảnh kỹ thuật số lớn nhất thế giới giúp Đài quan sát Vera Rubin mới tạo ra 'kỷ lục tua nhanh thời gian của vũ trụ'
— Tàu vũ trụ Varda trở về Trái đất trong lần hạ cánh thương mại đầu tiên tại vùng Outback của Úc
Kính viễn vọng không gian Hubble sử dụng gương chính 2,4 mét với tổng khối lượng là 1.825 pound (828 kg), và Kính viễn vọng không gian James Webb kết hợp 18 phân đoạn trong gương chính dài 21 foot (6,5 mét) với tổng trọng lượng (trên Trái đất) là 1.555 pound (705 kg). Trên Trái đất, các gương kính viễn vọng riêng lẻ có giới hạn kích thước trên là 26-33 foot (8–10 mét), vượt quá giới hạn này, lực hấp dẫn bắt đầu khiến chúng bị võng xuống. Do đó, việc phát triển một thấu kính phẳng, nhẹ có thể biến đổi kính thiên văn, đặc biệt là đối với các vụ phóng tàu vũ trụ khi khối lượng là yếu tố hạn chế chính để rời khỏi Trái đất.
Mô tả về thấu kính MDL phẳng đã được công bố vào ngày 3 tháng 2 trên tạp chí Thư Vật lý Ứng dụng.
