摘要：堪称光学领域一颗耀眼的新星 —— 美国犹他大学团队正掀起一场光学革命，将望远镜透镜从笨重的 “大块头” 变身成轻如蝉翼的 “小精灵”，打破了三百年来物理定律套在光学设计上的 “紧箍咒”。
堪称光学领域一颗耀眼的新星 —— 美国犹他大学团队正掀起一场光学革命，将望远镜透镜从笨重的 “大块头” 变身成轻如蝉翼的 “小精灵”，打破了三百年来物理定律套在光学设计上的 “紧箍咒”。
回溯时光，把镜头拉回到 17 世纪。那时，伽利略这位科学巨匠，凭借他自制的望远镜，如同为人类打开了一扇全新的窗户，让我们首次得以一窥月球表面那密密麻麻、如同麻子般分布的坑洼。从那一刻起，望远镜便成为人类探索宇宙奥秘的得力助手。但随着探索的深入，一个棘手的难题像一座难以逾越的大山，横亘在光学设计师们面前。
你瞧，当你拿起日常用的放大镜时，可能没太在意它的重量，可在望远镜的世界里，重量却成了大麻烦。为啥这么说呢？原来，传统的望远镜透镜就像一个固执的老学究，一直遵循着古老的规则 —— 依靠曲面来折射光线，从而实现聚焦。打个比方，望远镜要看得更远，就好比一个人要走得更远需要更大的力气一样，它的镜片就得变得更厚，这也就意味着更重。团队负责人、犹他大学工程学教授拉杰什・梅农形象地比喻道：“这简直就是物理定律设下的‘牢笼’，牢牢束缚着我们。”
这个困境让天文学家们愁白了头，绞尽脑汁地想办法突破。他们甚至像无奈的旅行者，被迫改变路线，放弃了一直依赖的透镜，转而投向巨大凹面反射镜的怀抱，以此来建造现代天文台。虽说镜子相比透镜能做得更薄一些，但那庞大的体积和惊人的重量，依然如同沉重的枷锁，限制着天文观测设备的发展。
在探索的漫漫长路上，科学家们从未停止寻找新的方向。一种名为菲涅耳区板（FZP）的设计，如同黑暗中的一丝曙光，让平面透镜的设想有了实现的可能。它就像一个充满创意的艺术家，用同心环纹代替了传统透镜的弯曲表面，来巧妙地操控光线，使得透镜有望变得轻薄起来。然而，这一设计却带来了新的烦恼。
想象一下，你在欣赏一幅美丽的画卷，可画面却像是被蒙上了一层彩色的薄纱，模糊不清，边缘还闪烁着恼人的彩色光晕。这就是 FZP 在实际工作中面临的问题 —— 严重的色差。不同颜色的光线在经过它时，就像一群调皮的孩子，各自朝着不同的方向跑去，无法聚焦在同一位置，导致最终的图像惨不忍睹。这使得早期的平面透镜只能在一些特定的单色光应用领域，如激光系统中发挥作用，对于渴望观察遥远星云那绚丽多彩模样的天文学家来说，无疑是一道难以跨越的鸿沟，完全无法满足他们探索宇宙之美的需求。
就在大家为这一难题愁眉不展时，犹他大学梅农团队的实验室里，一个大胆而奇妙的想法如同春天破土而出的新芽，正悄然孕育。他们大胆设想：如果不再亦步亦趋地模仿传统透镜的弯曲，而是像一个勇敢的开拓者，从根本上重新审视光的操控方式，是不是就能设计出一种微观结构，让不同波长的光，就像训练有素的士兵一样，整齐划一地聚焦在同一点呢？
想法虽美好，实现起来却比登天还难。这就好比要在一个微小的世界里建造一座无比复杂的城市，团队需要精心计算并设计数百万个微小结构，而且每一个都得精确到纳米级别，那精度要求，简直就像在针尖上跳舞。更具挑战的是，这些结构必须具备神奇的魔力，能够同时掌控从紫色到红色的所有可见光波长。这无疑是一个极其复杂的数学难题，如同在茫茫大海中寻找一粒特定的沙子，需要处理海量的数据，才能精准模拟出不同结构对光传播路径的影响。
但梅农团队可不是轻易言败的主儿。他们借助强大的计算机算法，如同驾驭着一艘先进的宇宙飞船，在数据的浩瀚星空中穿梭；同时运用创新的数学模型，像是挥舞着一把神奇的钥匙，试图打开微观光学世界的大门。他们采用了一种被称为 “反向设计” 的革命性方法，不再像以往那样，从已知的结构去预测性能，而是反其道而行之，从期望达到的性能出发，一步步推导出所需的微观结构。这一转变，就像是从跟随地图前行，变为根据目的地来绘制专属地图，充满了创新与挑战。
经过无数个日夜的艰苦奋战，在经历了一次又一次失败的打击后，团队凭借着顽强的毅力和不屈的精神，不断改进和尝试。终于，他们成功设计出了一种多级衍射平面镜片（MDL）。这一镜片就像一个精心雕琢的艺术品，其表面布满了精密设计的同心微环结构。这些环可不是简单的同心圆，它们就像一个个充满智慧的小精灵，有着复杂的高度变化和独特的形状。每一处细节都经过精确计算，目的只有一个 —— 控制不同颜色光线的行进路径，让它们最终如同归巢的鸟儿一般，准确无误地聚焦在同一点上。
最让人惊叹的是，与传统的菲涅耳区板相比，这种设计成功攻克了色差这一难关，让红光、绿光和蓝光能够和谐地汇聚在一起，而不再依赖透镜那厚重的身躯来实现。更厉害的是，团队不仅在理论上完成了这一伟大的设计，还通过一种名为 “灰度光刻” 的先进技术，如同拥有了一双神奇的 “纳米之手”，在薄薄的聚合物基底上精确地 “雕刻” 出了这些微观结构，将理论变为了现实。
然而，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。设计制造出来的镜片到底有没有真本事呢？研究团队决定将目光投向浩瀚的天空，选择了天空中最具挑战性的两个目标 —— 月球和太阳，来检验他们的成果。
月球，那是地球的天然卫星，其表面有着复杂多样的地形，高低起伏的环形山和广袤的月海，就像一幅神秘的画卷，充满了灰度变化，是检验镜片成像能力的绝佳对象。而太阳，这个太阳系的主宰，其表面有着高对比度的细节，如黑子，能够测试透镜对细微特征的捕捉能力。
当团队将精心制造的平面镜片安装在相机上，对准天空，紧张而又期待地按下快门时，所有人的心都提到了嗓子眼。随着第一批图像从相机中缓缓呈现，实验室里瞬间爆发出一阵欢呼。那薄如蝉翼的透明薄片，宛如一位神奇的画师，竟然捕捉到了令人惊叹的细节。月球表面的环形山和月海，清晰得如同近在眼前，仿佛伸手就能触摸到；太阳表面的黑子，也被准确无误地记录下来，就像在画布上精准地描绘出每一个细节。
进一步的测试数据更是让人眼前一亮。这种平面镜片展现出了超强的分辨能力，能够分辨高达 181 线对 / 毫米的空间频率。这意味着什么呢？打个比方，它就像一个拥有超级视力的巨人，能够捕捉到极其细微的细节，哪怕是极其微小的差别，也逃不过它的 “眼睛”。
那么，这种革命性的平面镜片到底将如何改变我们探索宇宙的方式呢？它就像一把万能钥匙，为我们打开了无数扇新的大门。
在太空望远镜领域，目前像著名的哈勃望远镜，在发射时需要消耗大量的燃料，就像一个超级 “油老虎”，这主要是因为其巨大的光学系统太重了。而有了这种超薄透镜，情况将发生翻天覆地的变化。它能够大幅减轻空间望远镜的重量，就像给沉重的飞船卸下了沉重的包袱，让它能够更加轻盈地在太空中翱翔，大大降低了发射成本。这对于未来更多太空探索任务来说，无疑是一个巨大的福音。
在卫星成像系统方面，它也将大显身手。能够为我们提供更清晰的地球观测数据，就像给地球安装了一个高清摄像头。无论是气象预报，让我们提前知晓天气的变化，如同为出行的人们点亮一盏明灯；还是环境监测，帮助我们时刻关注地球的生态环境，守护我们共同的家园；亦或是农业管理，助力农民更好地了解农作物的生长状况，都将发挥重要的作用。
对于广大天文爱好者而言，这同样是一个好消息。便携式天文摄影设备将因这种平面镜片迎来新的变革，让普通天文爱好者也能拥有轻便的设备，拍摄出高质量的天体照片。想象一下，在一个宁静的夜晚，你带着小巧轻便的天文摄影设备，来到空旷的郊外，仰望星空，将那璀璨的宇宙美景尽收眼底，是不是一件特别美妙的事情呢？
这场由犹他大学科学家们引领的光学革命，不仅仅是一次简单的技术进步，更像是一场思维的大解放。它代表着光学设计思路从依赖物理形状的传统模式，向利用精密微结构和强大计算能力的现代模式的华丽转身。三百年来，我们一直被传统观念束缚，认为强大的望远镜必然沉重。而现在，犹他大学的科学家们正挥舞着创新的魔杖，打破这一固有认知，开创一个轻如蝉翼却目光如炬的望远镜新时代。
来源：定陶融媒