Teleskop mit Metalllinsen mit großer Öffnung bildet den Mond ab

Einen wichtigen Schritt zur praktischen Nutzung optischer Metaoberflächen haben Forscher in den USA gemacht. Das Team verwendete ein gängiges Halbleiterherstellungsverfahren, um flache Metalle mit großer Apertur herzustellen. Seine optische Leistung wurde demonstriert, indem es als Objektiv in einem einfachen Teleskop verwendet wurde, das auf den Mond gerichtet war. Das Teleskop erreichte ein hervorragendes Auflösungsvermögen und erzeugte klare Bilder der Mondoberfläche.

Seit mehr als 400 Jahren werden Teleskope verwendet, um ins Weltall zu spähen. In den frühen 1600er Jahren benutzte Galileo Galilei ein Teleskop, um die Jupitermonde zu beobachten, und letztes Jahr begann das James-Webb-Weltraumteleskop, spektakuläre Bilder des Kosmos aufzunehmen.

Die Teleskope, die heute von professionellen Astronomen verwendet werden, sind in der Regel groß und sperrig, was oft Grenzen setzt, wie und wo sie verwendet werden können. Die Größe dieser Instrumente ergibt sich aus ihren großen Aperturen und oft komplizierten optischen Mehrelementsystemen, die notwendig sind, um Aberrationen zu eliminieren und die gewünschte hohe Leistung bereitzustellen.

Technisch hergestellte Nanostrukturen

Optische Metaoberflächen bieten eine Möglichkeit, Teleskope und andere optische Systeme kleiner und einfacher zu machen. Dies sind konstruierte Nanostrukturen, die man sich als eine Reihe künstlicher optischer Antennen vorstellen kann (siehe Abbildung). Diese Antennen können Licht manipulieren, indem sie beispielsweise seine Amplitude, Phase und Polarisation ändern.

Diese Metaoberflächen können so konstruiert werden, dass sie Licht fokussieren und dadurch Metalllinsen erzeugen, die erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Optiken bieten können. Beispielsweise sind die flachen Oberflächen von Metalllinsen frei von sphärischen Aberrationen und Metalllinsen sind im Vergleich zu herkömmlichen Optiken ultradünn und leicht.

Allerdings steckt die Produktion von Metalenses noch in den Kinderschuhen. Gegenwärtige Herstellungsverfahren basieren auf Scanning-Systemen wie Elektronenstrahl(E-Strahl)-Lithographie und Techniken mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB). Diese sind langsam, teuer und beschränken die Größe der Metallense auf wenige Millimeter. Dies macht eine Großserienproduktion fast unmöglich und bedeutet, dass Metalllinsen derzeit teuer und zu klein für Anwendungen mit großen Öffnungen wie Teleskopen sind.

Ein Meta-Teleskop

Jetzt haben Forscher der Pennsylvania State University und des NASA-Goddard Space Flight Center einen viel besseren Weg gefunden, Metallenses herzustellen. Ihr Verfahren kann für die Produktion im großen Maßstab skaliert werden und kann verwendet werden, um Metalllinsen mit großen Aperturgrößen herzustellen, die für Teleskopanwendungen geeignet sind.

Das Team verwendete die Deep-Ultraviolet (DUV)-Lithographie, eine Technik, die häufig in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Ihr Prozess umfasste die Strukturierung der Oberseite eines 80-Zoll-Quarzwafers. Ihre Metalllinse mit 16 mm Durchmesser wurde in XNUMX Teile unterteilt, die kombiniert wurden, indem dieselben Muster auf verschiedenen Quadranten des Wafers belichtet wurden. Das Zusammenfügen von Mustern und die Rotation des Wafers machten eine teure einzelne große Maske überflüssig, die die gesamte Oberfläche freilegt.

Intensitätsprofil

Die Leistung der Metalens wurde durch Messung des Intensitätsprofils von fokussierten Laserstrahlen über einen breiten Wellenlängenbereich von 1200–1600 nm charakterisiert. Die Tests zeigten, dass die Metalens Licht nahe der Beugungsgrenze über den gesamten Bereich eng fokussieren können, obwohl sie für den Betrieb bei 1450 nm ausgelegt sind. Die diffraktive Dispersion veränderte jedoch die Brennweite über den gesamten Wellenlängenbereich – ein nachteiliger Effekt, der als chromatische Aberration bezeichnet wird.

Das Auflösungsvermögen der Metalllinse wurde getestet, indem sie als Objektiv in einem Teleskop verwendet wurde. Das Team verwendete das Teleskop, um erfolgreich verschiedene Merkmale der Mondoberfläche mit einer minimalen Auflösungsgröße von etwa 80 km abzubilden. Dies ist das bisher beste berichtete Auflösungsvermögen für diese Art von Metallen.

Systeme der nächsten Generation

Leitender Forscher Xingjie Ni an der Pennsylvania State University ist der Ansicht, dass Metaoberflächen die Optik verändern können, da ihre beispiellose Fähigkeit zur Lichtmanipulation sie zu leistungsstarken Kandidaten für optische Systeme der nächsten Generation macht. Aus diesem Grund, sagt er, widmet sich sein Team der Weiterentwicklung der Fähigkeiten skalierbarer, fertigungsfreundlicher Metaoberflächen.

„Wir planen, unsere Designtechniken zu verbessern, um Nanostrukturen zu erreichen, die gegenüber Herstellungsfehlern tolerant sind. Dies wird es uns ermöglichen, großvolumige Fertigungstechnologien wie Fotolithografie einzusetzen, um großformatige Metallsensoren herzustellen, die im sichtbaren Bereich arbeiten, und komplexere Nanoantennendesigns zu integrieren, beispielsweise frei geformte Nanoantennen, um chromatische Aberration zu kompensieren“, sagt er Physik-Welt.

Metaoberflächen helfen bei der Formung von Laserstrahlen

Din Ping Tsai an der City University of Hong Kong war nicht an der Forschung beteiligt und er glaubt, dass diese Arbeit die Arbeitsszenarien von Metalenses erweitert und die Forschung zu Metalenses mit großen Aperturen inspirieren wird. Er sagt, dass die DUV-Lithographie verwendet werden könnte, um die Herstellung von kostengünstigen Metalllinsen mit hohem Durchsatz und angemessener Auflösung zu erreichen. Dies würde die Komponenten in die Kommerzialisierung bringen und sie in den kommenden Jahren zu einem Teil unseres täglichen Lebens machen.

Tsai glaubt, dass die chromatische Aberration in der Penn State Metalens ihre Verwendung auf monochromatische Anwendungen beschränkt. Er weist auch darauf hin, dass das Design großflächiger breitbandiger achromatischer Metalllinsen immer noch eine große Herausforderung darstellt und stark nachgefragt wird. Darüber hinaus glaubt er, dass eine große Maske die bevorzugte Methode zur Herstellung von Metalllinsen ist, um Stichfehler zu vermeiden und den Herstellungsprozess zu vereinfachen.

Die Forschung ist beschrieben in ACS Nano Buchstaben.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/