Durante siglos, nuestra visión del cosmos ha dependido de la curvatura de la luz. Galileo lo consiguió con lentes curvadas, abriendo el universo de un modo inimaginable hasta entonces. Aunque los astrónomos posteriores desarrollaron telescopios gigantes con espejos curvos -una importante evolución que permitió instrumentos mucho mayores-, la dependencia fundamental de la conformación de la luz con superficies voluminosas y curvas se mantuvo. Estas ópticas tradicionales se vuelven cada vez más pesadas y difíciles de manejar a medida que buscamos mayores aumentos, lo que plantea importantes retos para la astronomía a gran escala, que implica la observación de objetos muy distantes y débiles, y aplicaciones en las que el espacio y el peso son fundamentales, como la obtención de imágenes desde el aire y el espacio. Reducir el peso es esencial para las plataformas espaciales, donde los costes de lanzamiento son elevados y cada gramo cuenta. Ahora está surgiendo una alternativa prometedora: las lentes planas.
Recientemente, investigadores de la Facultad de Ingeniería John y Marcia Price de la Universidad de Utah han demostrado una lente difractiva multinivel (MDL) de 100 mm de diámetro y 2,4 μm de grosor con una longitud focal de 200 mm, optimizada para el rango de longitudes de onda de 400-800 nm, según se detalla en Applied Physics Letters. Esta lente ofrece una solución ligera y rentable para la obtención de imágenes desde el espacio, lo que podría transformar la forma en que observamos el cosmos.
El grosor de las lentes no supone un gran problema para las cámaras de uso cotidiano y los telescopios de patio trasero. Pero cuando los telescopios deben enfocar la luz de galaxias situadas a millones de años luz, el grosor de sus lentes resulta poco práctico. Por eso, los telescopios espaciales y de observatorio utilizan enormes espejos curvos para conseguir el mismo efecto de curvatura de la luz. Aunque son más finos y ligeros, los espejos pueden distorsionar la imagen. Las lentes difractivas son una alternativa, pero los diseños planos anteriores, como las placas de zona de Fresnel (FZP), que utilizan crestas concéntricas para enfocar la luz en lugar de una superficie gruesa y curva, sufren aberraciones cromáticas. Esto se debe a que las crestas difractan diferentes longitudes de onda de la luz visible en ángulos variables, lo que impide obtener imágenes en color real.
En cambio, esta nueva lente difractiva multinivel (MDL) utiliza un diseño innovador para el enfoque acromático, lo que garantiza que todas las longitudes de onda converjan en un único punto para obtener imágenes precisas y de color real sin franjas como las del arco iris. La fabricación de la lente aprovecha el diseño inverso y la litografía en escala de grises. El proceso de diseño inverso optimiza la intrincada microestructura -10.000 anillos concéntricos controlados con precisión y grabados en fotorresistencia estructurada sobre un sustrato de vidrio-, mientras que la litografía en escala de grises permite controlar con precisión la altura de los anillos. La fabricación se llevó a cabo con la versátil herramienta de litografía láser DWL 66+ de Heidelberg Instruments, que garantiza la precisión necesaria.
Dirigido por el profesor Rajesh Menon, director del Laboratorio de Nanotecnologías Ópticas de la Universidad de Utah, el equipo de investigación probó exhaustivamente la lente, captando imágenes detalladas de la Luna, el Sol y escenas terrestres. La lente resolvió detalles finos como las características geológicas lunares y las manchas solares, demostrando su potencial para avanzar significativamente en la astrofotografía.
Al reducir el peso y el tamaño de las ópticas de los telescopios, las lentes planas como esta MDL podrían permitir la creación de observatorios aéreos y espaciales más sencillos y rentables, lo que allanaría el camino hacia una visión más nítida de nuestro universo y repercutiría también en otros campos.
