Sci. Rep. | 基于全息透镜的太空望远镜

从开普勒太空望远镜的九年运行中得到的信息告诉我们，整个银河系的行星数量繁多。跨行星调查卫星（TESS）和即将发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜都标志着人类对太阳系外宜居行星的不断探索。近日，来自美国和台湾的研究人员开发了一种轻质、灵活的全息透镜，研究人员认为这可成为下一代更强大的系外行星望远镜的理想选择（Sci. Rep., doi: 10.1038/s41598-021-99955-w）。该望远镜可以用来直接观测太阳系外行星，对于目前仅仅是只根据它们所围绕的恒星发出的光来探测系外行星的技术而言，该望远镜实现了的一个飞跃。

一种寻找系外行星的方法是开普勒过境测光法，即探测由行星在恒星前穿过引起的来自个别恒星的光量下降。根据这些下降的信息，天文学家可以推断出一颗行星的大小、其轨道的形状以及它环绕其恒星需要多长时间。另一种方法是由哈勃太空望远镜实现的过境光谱学技术，即从行星大气层的透射光中收集有关系外行星大气层组分的信息。下一步，研究人员希望利用望远镜来获取系外行星的直接图像。但是将巨大的天文望远镜送入太空是极具挑战性的。

美国伦斯勒理工学院的研究人员Heidi Jo Newberg表示，为了找到可替代地球的宜居星球，一个可直接对系外行星实现高分辨率的望远镜是必不可少的。因此，他们提出设计一种轻量级、灵活和可折叠的全息透镜，其将构成新型望远镜中的关键部件。该研究由双用系外行星望远镜（DUET）——美国宇航局创新先进概念计划的一个项目资助。该项目目前主要资助将能够直接分析系外行星的光谱的初期技术，包括衍射光学技术，并保证极高的光谱分辨率。

全息透镜由一个基于双球面波干涉的菲涅尔全息图构成。具体来说，一个准直的二极管泵浦固体激光器被分成两束，用物镜聚焦并通过针孔产生球面波。它们沿同一光轴传播，在平面感光膜上发生干涉，形成全息透镜。该全息透镜由多个环形环组成，将光线聚焦到一个光轴上。因此，它是一个平面透镜，可以将入射光聚焦并拉伸成线。其中，环与环之间的间距是可以调整的，该自由度使不同颜色的光能够被聚焦到沿光轴的不同位置。

基于菲涅尔全息图的双用系外行星望远镜（DUET）拉伸光线的示意图。

通过定制两个球面波的曲率半径可以控制不同颜色光拉伸的程度。一方面更高的拉伸程度可提供更高的光谱分辨率；另一方面，低的拉伸程度能够保证更高的检测灵敏度。

研究人员使用太阳光和白光LED测试了透镜的特性。准直的宽带光通过全息透镜被收集，不同的颜色被聚焦在光轴的不同位置。实验显示，全息图能产生很强的色散，红色、绿色和蓝色波长的空间强度分布也很鲜明。

实验结果表明，在波长515 nm处的超细光谱分辨率为0.0266 nm，探测器尺寸为20nm。因此 该DUET望远镜可以同时实现高分辨率光谱、高探测灵敏度和小的探测面积。