Teleskop med metalens med stor blænde afbilleder Månen

Et vigtigt skridt mod den praktiske brug af optiske metasurfaces er taget af forskere i USA. Holdet brugte en fælles halvlederfremstillingsproces til at producere en stor åbning, flad metalen. Dens optiske ydeevne blev demonstreret ved at bruge den som objektivlinse i et simpelt teleskop, der var rettet mod Månen. Teleskopet opnåede overlegen opløsningsevne og producerede klare billeder af Månens overflade.

Teleskoper er blevet brugt til at kigge ud i universet i mere end 400 år. I begyndelsen af ​​1600-tallet brugte Galileo Galilei et teleskop til at observere Jupiters måner, og sidste år begyndte James Webb Space Telescope at tage spektakulære billeder af kosmos.

De teleskoper, som professionelle astronomer bruger i dag, har tendens til at være store og omfangsrige, hvilket ofte sætter grænser for, hvordan og hvor de kan bruges. Størrelsen af ​​disse instrumenter er et resultat af deres store åbninger og ofte komplicerede optiske systemer med flere elementer, der er nødvendige for at eliminere aberrationer og give den ønskede høje ydeevne.

Konstruerede nanostrukturer

Optiske metaoverflader tilbyder en potentiel måde at gøre teleskoper og andre optiske systemer mindre og enklere. Disse er konstruerede nanostrukturer, der kan opfattes som en serie af kunstige optiske antenner (se figur). Disse antenner kan manipulere lys, ændre for eksempel dets amplitude, fase og polarisering.

Disse metasurfaces kan konstrueres til at fokusere lys og derved skabe metalenses, der kan tilbyde betydelige fordele i forhold til konventionel optik. For eksempel er metalensens flade overflader fri for sfæriske aberrationer, og metalenses er ultratynde og lav i vægt sammenlignet med konventionel optik.

Fremstillingen af ​​metalenses er dog stadig i sin vorden. Nuværende fremstillingsmetoder er baseret på scanningssystemer såsom elektronstråle (e-beam) litografi og fokuseret ionstråle (FIB) teknikker. Disse er langsomme, dyre og begrænser størrelsen af ​​metalenses til blot et par millimeter. Dette gør produktion af store mængder næsten umulig og betyder, at metalenser i øjeblikket er dyre og for små til applikationer med stor blænde, såsom teleskoper.

Et meta-teleskop

Nu har forskere ved Pennsylvania State University og NASA-Goddard Space Flight Center fundet på en meget bedre måde at lave metalenses på. Deres proces kan skaleres op til produktion i stor skala og kan bruges til at skabe metalenses med store blændestørrelser, der er velegnede til teleskopapplikationer.

Holdet brugte dyb-ultraviolet (DUV) litografi, som er en teknik, der almindeligvis anvendes i halvlederindustrien. Deres proces involverede mønstre af toppen af ​​en fire-tommer silica wafer. Deres 80 mm-diameter meta-linse blev opdelt i 16 dele, der blev kombineret ved at eksponere de samme mønstre på forskellige kvadranter af waferen. Mønstersyning og waferrotation eliminerede behovet for en dyr enkelt stor maske, der blotter hele overfladen.

Intensitetsprofil

Ydeevnen af ​​metalens blev karakteriseret ved at måle intensitetsprofilen af ​​fokuserede laserstråler over et bredt bølgelængdeområde, der spænder over 1200-1600 nm. Testene viste, at metalenerne kan fokusere lys tæt på diffraktionsgrænsen over hele området, på trods af at de er designet til at fungere ved 1450 nm. Imidlertid varierede diffraktiv spredning brændvidden i hele bølgelængdeområdet - en skadelig effekt kaldet kromatisk aberration.

Metalens opløsningsevne blev testet ved at bruge den som en objektivlinse inde i et teleskop. Holdet brugte teleskopet til med succes at afbilde forskellige træk ved Månens overflade med en mindste opløsningsstørrelse på cirka 80 km. Dette er den bedst rapporterede opløsningsevne for denne type metalen hidtil.

Næste generations systemer

Hovedforsker Xingjie Ni ved Pennsylvania State University mener, at metasurfaces kan være en game changer inden for optik, fordi deres hidtil usete evne til lysmanipulation gør dem til stærke kandidater til næste generations optiske systemer. Dette, siger han, er grunden til, at hans team er dedikeret til at fremme mulighederne for skalerbare, fremstillingsvenlige metasurfaces.

"Vi planlægger at forbedre vores designteknikker for at opnå fremstillings-imperfektionstolerante nanostrukturer. Dette vil give os mulighed for at bruge højvolumen fremstillingsteknologi såsom fotolitografi til at lave metalenses i stor skala, der arbejder i det synlige område og inkorporere mere komplekse nanoantennedesigns, for eksempel friformede nanoantenner, for at kompensere for kromatisk aberration," fortæller han. Fysik verden.

Metasurfaces hjælper med at forme laserstråler

Din Ping Tsai ved City University of Hong Kong var ikke involveret i forskningen, og han mener, at dette arbejde udvider arbejdsscenarierne for metalenses og vil inspirere til forskning i metalenses med store åbninger. Han siger, at DUV-litografi kunne bruges til at opnå den høje gennemløbsproduktion af billige metalenses med rimelig opløsning. Dette ville bringe komponenterne i kommercialisering og gøre dem til en del af vores daglige liv i de kommende år.

Tsai mener, at den kromatiske aberration i Penn State metalens begrænser dens anvendelse til monokromatiske applikationer. Han påpeger også, at designet af akromatisk meta-linse med bredbånd til store områder stadig er en stor udfordring og efterspørges stærkt. Derudover mener han, at en stor maske er den foretrukne måde at lave metalenses på for at undgå syfejl og for at forenkle fremstillingsprocessen.

Forskningen er beskrevet i ACS Nano bogstaver.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/