Τηλεσκόπιο με μεταλλικό μεγάλο διάφραγμα απεικονίζει τη Σελήνη

Ένα σημαντικό βήμα προς την πρακτική χρήση των οπτικών μεταεπιφανειών έχουν γίνει από ερευνητές στις ΗΠΑ. Η ομάδα χρησιμοποίησε μια κοινή διαδικασία κατασκευής ημιαγωγών για να παράγει ένα μεγάλο άνοιγμα, επίπεδα μεταλλικά. Η οπτική του απόδοση αποδείχθηκε με τη χρήση του ως αντικειμενικού φακού σε ένα απλό τηλεσκόπιο που στόχευε στη Σελήνη. Το τηλεσκόπιο πέτυχε ανώτερη διακριτική ισχύ και παρήγαγε καθαρές εικόνες της επιφάνειας της Σελήνης.

Τα τηλεσκόπια έχουν χρησιμοποιηθεί για να κοιτάξουν έξω στο σύμπαν για περισσότερα από 400 χρόνια. Στις αρχές του 1600, ο Galileo Galilei χρησιμοποίησε ένα τηλεσκόπιο για να παρατηρήσει τα φεγγάρια του Δία και πέρυσι το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb άρχισε να λαμβάνει θεαματικές εικόνες του σύμπαντος.

Τα τηλεσκόπια που χρησιμοποιούνται σήμερα από επαγγελματίες αστρονόμους τείνουν να είναι μεγάλα και ογκώδη, γεγονός που συχνά θέτει όρια στο πώς και πού μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Το μέγεθος αυτών των οργάνων είναι αποτέλεσμα των μεγάλων διαφραγμάτων τους και των συχνά πολύπλοκων οπτικών συστημάτων πολλαπλών στοιχείων που είναι απαραίτητα για την εξάλειψη των εκτροπών και για την παροχή της επιθυμητής υψηλής απόδοσης.

Μηχανικές νανοδομές

Οι οπτικές μεταεπιφάνειες προσφέρουν έναν πιθανό τρόπο να γίνουν τα τηλεσκόπια και άλλα οπτικά συστήματα μικρότερα και απλούστερα. Πρόκειται για κατασκευασμένες νανοδομές που μπορούν να θεωρηθούν ως μια σειρά από τεχνητές οπτικές κεραίες (βλ. σχήμα). Αυτές οι κεραίες μπορούν να χειριστούν το φως, αλλάζοντας, για παράδειγμα, το πλάτος, τη φάση και την πόλωσή του.

Αυτές οι μεταεπιφάνειες μπορούν να κατασκευαστούν για να εστιάζουν το φως, δημιουργώντας έτσι μεταλλικά άλατα που μπορούν να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα συμβατικά οπτικά. Για παράδειγμα, οι επίπεδες επιφάνειες των μεταλλενσών είναι απαλλαγμένες από σφαιρικές εκτροπές και οι μεταλλένσες είναι εξαιρετικά λεπτές και χαμηλού βάρους σε σύγκριση με τη συμβατική οπτική.

Ωστόσο, η παραγωγή μεταλλενσών βρίσκεται ακόμη στα σπάργανα. Οι τρέχουσες μέθοδοι κατασκευής βασίζονται σε συστήματα σάρωσης όπως η λιθογραφία με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam) και οι τεχνικές δέσμης εστιασμένων ιόντων (FIB). Αυτά είναι αργά, ακριβά και περιορίζουν το μέγεθος των μεταλλενσών σε λίγα μόνο χιλιοστά. Αυτό καθιστά την παραγωγή μεγάλου όγκου σχεδόν αδύνατη και σημαίνει ότι τα μεταλλικά είναι επί του παρόντος ακριβά και πολύ μικρά για εφαρμογές μεγάλου ανοίγματος όπως τα τηλεσκόπια.

Ένα μετα-τηλεσκόπιο

Τώρα, ερευνητές στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων της NASA-Goddard έχουν βρει έναν πολύ καλύτερο τρόπο για την κατασκευή μεταλλενσών. Η διαδικασία τους μπορεί να κλιμακωθεί για παραγωγή μεγάλης κλίμακας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μεταλλικών με μεγάλα μεγέθη ανοίγματος που είναι κατάλληλα για εφαρμογές τηλεσκοπίου.

Η ομάδα χρησιμοποίησε λιθογραφία βαθιάς υπεριώδους (DUV), η οποία είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία ημιαγωγών. Η διαδικασία τους περιελάμβανε τη δημιουργία σχεδίου στην κορυφή μιας γκοφρέτας πυριτίου τεσσάρων ιντσών. Ο μεταφακός τους διαμέτρου 80 mm χωρίστηκε σε 16 μέρη που συνδυάστηκαν με την έκθεση των ίδιων σχεδίων σε διαφορετικά τεταρτημόρια της γκοφρέτας. Η ραφή μοτίβων και η περιστροφή της γκοφρέτας εξαλείφουν την ανάγκη για μια ακριβή ενιαία μεγάλη μάσκα που εκθέτει ολόκληρη την επιφάνεια.

Προφίλ έντασης

Η απόδοση των μεταλλικών χαρακτηρίστηκε από τη μέτρηση του προφίλ έντασης των εστιασμένων ακτίνων λέιζερ σε ένα ευρύ φάσμα μήκους κύματος που εκτείνεται από 1200–1600 nm. Οι δοκιμές έδειξαν ότι τα μέταλλα μπορούν να εστιάσουν σφιχτά το φως κοντά στο όριο περίθλασης σε όλο το εύρος, παρόλο που είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν στα 1450 nm. Ωστόσο, η διαθλαστική διασπορά διαφοροποιούσε την εστιακή απόσταση σε όλο το εύρος μήκους κύματος - μια επιζήμια επίδραση που ονομάζεται χρωματική εκτροπή.

Η διακριτική ισχύς των μεταλλενίων δοκιμάστηκε με τη χρήση του ως αντικειμενικού φακού μέσα σε ένα τηλεσκόπιο. Η ομάδα χρησιμοποίησε το τηλεσκόπιο για να απεικονίσει επιτυχώς διάφορα χαρακτηριστικά της επιφάνειας της Σελήνης με ελάχιστο μέγεθος χαρακτηριστικού ανάλυσης περίπου 80 km. Αυτή είναι η καλύτερη ισχύς επίλυσης που έχει αναφερθεί για αυτόν τον τύπο μετάλλων μέχρι στιγμής.

Συστήματα επόμενης γενιάς

Επικεφαλής ερευνητής Xinggjie Ni στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια πιστεύει ότι οι μεταεπιφάνειες μπορούν να αλλάξουν το παιχνίδι στην οπτική, επειδή η άνευ προηγουμένου ικανότητά τους για χειρισμό φωτός τις καθιστά ισχυρούς υποψήφιους για οπτικά συστήματα επόμενης γενιάς. Αυτός, λέει, είναι ο λόγος που η ομάδα του είναι αφοσιωμένη στην προώθηση των δυνατοτήτων επεκτάσιμων, φιλικών προς την κατασκευή μεταεπιφανειών.

«Σκοπεύουμε να βελτιώσουμε τις τεχνικές σχεδιασμού μας για να επιτύχουμε νανοδομές ανθεκτικές στην κατασκευή-ατέλειες. Αυτό θα μας επιτρέψει να χρησιμοποιήσουμε τεχνολογία κατασκευής μεγάλου όγκου, όπως η φωτολιθογραφία, για την κατασκευή μεταλλικών μεταλλικών στοιχείων μεγάλης κλίμακας που λειτουργούν στο ορατό εύρος και να ενσωματώσουμε πιο πολύπλοκα σχέδια νανοκεραιών, για παράδειγμα, νανοκεραίες σε σχήμα ελεύθερου σχήματος, για να αντισταθμίσουν τη χρωματική εκτροπή», λέει. Κόσμος Φυσικής.

Οι μεταεπιφάνειες βοηθούν στη διαμόρφωση των ακτίνων λέιζερ

Ντιν Πινγκ Τσάι στο Πανεπιστήμιο Πόλης του Χονγκ Κονγκ δεν συμμετείχε στην έρευνα και πιστεύει ότι αυτή η εργασία επεκτείνει τα σενάρια εργασίας των μεταλλενσών και θα εμπνεύσει την έρευνα για τις μεταλλένσες με μεγάλα ανοίγματα. Λέει ότι η λιθογραφία DUV θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη της υψηλής απόδοσης κατασκευή μεταλλενσών χαμηλού κόστους με λογική ανάλυση. Αυτό θα έφερνε τα εξαρτήματα στην εμπορευματοποίηση και θα τα έκανε μέρος της καθημερινότητάς μας τα επόμενα χρόνια.

Ο Tsai πιστεύει ότι η χρωματική εκτροπή στο Penn State metalens περιορίζει τη χρήση του σε μονοχρωματικές εφαρμογές. Επισημαίνει επίσης ότι ο σχεδιασμός ευρυζωνικού αχρωματικού μετα-φακού μεγάλης περιοχής εξακολουθεί να αποτελεί μεγάλη πρόκληση και έχει μεγάλη ζήτηση. Επιπλέον, πιστεύει ότι μια μεγάλη μάσκα είναι ο προτιμώμενος τρόπος για να φτιάχνεις μεταλλικά, ώστε να αποφευχθούν λάθη στη ραφή και να απλοποιηθεί η διαδικασία κατασκευής.

Η έρευνα περιγράφεται στο ACS Nano Γράμματα.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/