초경량 유연 홀로그래픽 렌즈, 차세대 우주망원경 길 열다

거대 우주망원경으로 외계행성을 발견한다는 개념에서 영감을 받은 연구팀이 홀로그래픽 렌즈를 개발 중이다. 이 렌즈는 가시광과 적외선 별빛을 초점 이미지나 스펙트럼으로 변환한다. 이 실험적 방법은 지름 수십 미터에 달하는 초경량 유연 렌즈를 만들 수 있게 하며, 발사 시 말아 올렸다가 우주에서 펼칠 수 있다.

두 개의 구면파를 사용해 홀로그램을 생성하면 회절 격자 필름에 기록되는 것을 정밀하게 제어할 수 있고, 빛에 미치는 효과(초고감도 분광 분리 또는 고해상도 초점)도 제어할 수 있다. 연구자들은 이 모델이 외계행성 분석 등 극도로 높은 분해능 분광학이 필요한 응용 분야에 유용할 것으로 믿는다.

우주로 발사되어야 하는 망원경(지구 대기의 방해 없는 시야 확보)은 빛을 모으는 유리 거울의 무게와 부피 때문에 현실적으로 지름 몇 미터로 제한된다. 반면 초경량 유연 홀로그래픽 렌즈(더 정확히 '홀로그래픽 광학 소자')는 수십 미터 크기로 만들 수 있다. 이런 기기로 외계행성을 직접 관측할 수 있어, 현재 항성 빛에 미치는 영향으로 외계행성을 간접 탐지하는 방법을 뛰어넘는 도약이 될 것이다.

“지구 2.0을 찾으려면 직접 이미징으로 외계행성을 봐야 한다. 항성을 보고 행성을 항성에서 분리해 봐야 한다. 그러려면 고해상도와 정말 큰 망원경이 필요하다”라고 하이디 조 뉴버그(Heidi Jo Newberg) 교수는 말한다.

홀로그래픽 광학 소자는 프레넬 렌즈의 개선된 버전이다. 프레넬 렌즈는 평평한 평면에 동심원 프리즘 배열을 사용해 볼록 렌즈의 초점 능력을 부피 없이 모방하는 렌즈 범주다. 프레넬 렌즈 개념은 19세기 등대용으로 개발되었으며, 현대 유리/플라스틱 프레넬 렌즈는 자동차 램프, 마이크로 광학, 카메라 화면에서 볼 수 있다.

하지만 프레넬 홀로그래픽 광학 소자(서로 다른 거리의 두 광원을 감광성 플라스틱 필름에 노출해 생성)는 드물지 않으나, 기존 방법은 빛을 초점화만 할 수 있을 뿐 구성 색으로 분리하는 데는 한계가 있었다.

새 방법은 설계자가 빛을 한 점에 초점화하거나 구성 색으로 분산시켜 순색 스펙트럼을 생성하도록 선택할 수 있게 한다. 이 방법은 서로 매우 가까운 두 광원을 사용해 필름을 향해 이동하는 동심원파를 생성하는데, 이들은 서로 강화하거나 상쇄한다. 이 수렴 또는 간섭 패턴은 방문 교수 메이리 셰(Mei-Li Hsieh)가 개발한 공식에 따라 조정할 수 있다. 이 패턴은 홀로그래픽 이미지로 필름에 인쇄되거나 '기록'되며, 이미지 구조에 따라 홀로그래픽 광학 소자를 통과하는 빛은 초점화되거나 펼쳐진다.