Une plaque zonée est un matériau plat et circulaire utilisé pour focaliser la lumière ou d’autres ondes électromagnétiques, telles que les rayons X, en utilisant les principes de diffraction. Elles sont souvent appelées plaques de zone de Fresnel et sont liées à la lentille de Fresnel, toutes deux nommées d’après un ingénieur français du XIXe siècle, Augustin-Jean Fresnel, qui a étudié la nature de l’optique. Les effets de réseau de diffraction avec une plaque de zone ou une lentille de Fresnel ont des applications dans la photographie, la microscopie et l’holographie aux rayons gamma, ainsi que pour les systèmes d’antennes spatiales potentiels.
Les plaques de zone utilisent le principe de la diffraction pour courber une onde de lumière ou d’autres énergies, telles que les ondes de matière de niveau sonore ou quantique de neutrons libres et d’atomes d’hélium, en courbant leur angle d’incidence lorsqu’elles ont un impact sur des milieux transparents et opaques. Cela crée un niveau d’interférence constructive avec les ondes lumineuses où elles se concentrent au-delà de la plaque de zone, ce qui peut augmenter la résolution pour certains aspects de l’onde lumineuse ou énergétique. Pour traiter l’ensemble du rayonnement électromagnétique impactant ainsi une surface, une plaque zonée est constituée de cercles concentriques qui alternent entre qualités réfléchissantes ou opaques et qualités transparentes ou lumineuses, ce qui lui donne l’apparence d’un œil de bœuf.
Un type spécial de plaque zonée où les anneaux sombres et clairs se fondent l’un dans l’autre créera un point focal unique, qui a été utilisé avec les rayons gamma dans le domaine de l’holographie d’imagerie médicale. L’idée est en cours de recherche pour l’imagerie des régions autour des isotopes traceurs introduits dans l’organisme en médecine nucléaire. Lorsque la source radioactive éclaire une plaque zonée, la plaque projette une ombre qui peut être enregistrée sur un film photographique à une taille plus petite que la source réelle. Cette image reflète précisément le motif d’interférence créé par la plaque zonée en trois dimensions, et l’image photographiée peut ensuite être éclairée avec une lumière ordinaire pour reconstruire l’image et examiner en détail la structure autour des isotopes.
La microscopie à rayons X est l’un des principaux domaines de recherche pour l’utilisation de dispositifs de réseau de diffraction tels que les plaques de zone. En effet, les matériaux de lentilles traditionnels comme le verre réfléchiront les rayons X ou ne les diffracteront que faiblement au lieu de les focaliser, en raison de leur petite longueur d’onde, et les plaques de zone doivent être construites à l’échelle nanométrique pour obtenir l’effet de focalisation souhaité. Typiquement, une plaque de zone à rayons X a un diamètre circulaire d’environ 4 millimètres et des épaisseurs de zone comprises entre 50 et 300 nanomètres. De telles lentilles à plaques zonées peuvent focaliser les faisceaux de rayons X jusqu’à une résolution aussi fine que 10 nanomètres, ou 10 milliardièmes de mètre. Par comparaison, une molécule d’eau typique, ou H2O, mesure environ 1 nanomètre de diamètre. Cela permet d’étudier des matériaux biologiques, des cristaux et d’autres structures au niveau atomique avec un degré de résolution optique fin.
L’utilisation de plaques de zone en tungstène d’un millimètre d’épaisseur pour capturer des rayons X à haute énergie avec des niveaux d’énergie allant jusqu’à 1 250,000 électrons-volts (250 keV) dans des systèmes d’antennes spatiales a été étudiée de 1968 à 2003. Cela va au-delà la capacité des matériaux de lentilles conventionnels, qui ne peuvent pas capturer les photons au-dessus de 10 keV. Des plaques à deux zones ont été utilisées en tandem dans une expérience, avec un diamètre de 2.4 centimètres contenant 144 zones concentriques, placées à 30 centimètres l’une de l’autre dans le télescope. Ils ont démontré une résolution d’environ 30 secondes d’arc, sans tache arago dans le processus de projection d’ombre pour les rayons X. Une tache arago, ou tache de Poisson, est un point d’énergie typique qui apparaît au centre de l’ombre d’un diagramme de diffraction de Fresnel où une interférence constructive se produit entre les longueurs d’onde d’énergie. Les antennes à réflecteur à plaques zonales pour les engins spatiaux sont considérées comme un progrès technologique par rapport aux antennes paraboliques traditionnelles, étant d’un coût et d’un poids beaucoup plus faibles, avec des caractéristiques de performance à gain élevé et une efficacité pour capturer jusqu’à 95% du rayonnement incident.