Telescopio con metalens de gran apertura captura imágenes de la Luna

Investigadores estadounidenses han dado un paso importante hacia el uso práctico de metasuperficies ópticas. El equipo utilizó un proceso común de fabricación de semiconductores para producir metales planos de gran apertura. Su rendimiento óptico se demostró usándolo como lente objetivo en un telescopio simple que apuntaba a la Luna. El telescopio logró un poder de resolución superior y produjo imágenes claras de la superficie de la Luna.

Los telescopios se han utilizado para observar el universo durante más de 400 años. A principios de 1600, Galileo Galilei usó un telescopio para observar las lunas de Júpiter y el año pasado el telescopio espacial James Webb comenzó a tomar imágenes espectaculares del cosmos.

Los telescopios que utilizan hoy en día los astrónomos profesionales tienden a ser grandes y voluminosos, lo que a menudo limita cómo y dónde se pueden utilizar. El tamaño de estos instrumentos es el resultado de sus grandes aperturas y sistemas ópticos de elementos múltiples, a menudo complicados, que son necesarios para eliminar las aberraciones y proporcionar el alto rendimiento deseado.

Nanoestructuras diseñadas

Las metasuperficies ópticas ofrecen una forma potencial de hacer que los telescopios y otros sistemas ópticos sean más pequeños y simples. Estas son nanoestructuras diseñadas que pueden considerarse como una serie de antenas ópticas artificiales (ver figura). Estas antenas pueden manipular la luz, cambiando, por ejemplo, su amplitud, fase y polarización.

Estas metasuperficies se pueden diseñar para enfocar la luz, creando así metalenses que pueden ofrecer ventajas significativas sobre la óptica convencional. Por ejemplo, las superficies planas de los metalenses están libres de aberraciones esféricas y los metalenses son ultradelgados y de bajo peso en comparación con la óptica convencional.

Sin embargo, la producción de metalenses aún está en pañales. Los métodos de fabricación actuales se basan en sistemas de exploración como la litografía por haz de electrones (e-beam) y técnicas de haz de iones enfocados (FIB). Estos son lentos, costosos y restringen el tamaño de los metalenses a solo unos pocos milímetros. Esto hace que la producción de gran volumen sea casi imposible y significa que los metalenses son actualmente caros y demasiado pequeños para las aplicaciones de gran apertura, como los telescopios.

Un meta-telescopio

Ahora, los investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA han ideado una forma mucho mejor de hacer metalenses. Su proceso se puede ampliar para la producción a gran escala y se puede utilizar para crear metalenses con grandes tamaños de apertura que son adecuados para aplicaciones de telescopios.

El equipo utilizó litografía ultravioleta profunda (DUV), que es una técnica comúnmente utilizada en la industria de los semiconductores. Su proceso consistió en modelar la parte superior de una oblea de sílice de cuatro pulgadas. Su lente metálica de 80 mm de diámetro se dividió en 16 partes que se combinaron al exponer los mismos patrones en diferentes cuadrantes de la oblea. La costura del patrón y la rotación de las obleas eliminaron la necesidad de una sola máscara grande y costosa que expone toda la superficie.

Perfil de intensidad

El rendimiento de los metalens se caracterizó midiendo el perfil de intensidad de los rayos láser enfocados en un amplio rango de longitud de onda que abarca 1200-1600 nm. Las pruebas demostraron que los metalens pueden enfocar la luz con precisión cerca del límite de difracción en todo el rango, a pesar de estar diseñados para operar a 1450 nm. Sin embargo, la dispersión difractiva varió la distancia focal en todo el rango de longitud de onda, un efecto perjudicial llamado aberración cromática.

El poder de resolución de los metalens se probó usándolo como lente objetivo dentro de un telescopio. El equipo usó el telescopio para obtener imágenes con éxito de varias características de la superficie de la Luna con un tamaño de característica de resolución mínima de aproximadamente 80 km. Este es el poder de resolución mejor informado para este tipo de metales hasta el momento.

Sistemas de última generación

El investigador principal Xingjie ni en la Universidad Estatal de Pensilvania cree que las metasuperficies pueden cambiar las reglas del juego en óptica, porque su capacidad sin precedentes para la manipulación de la luz las convierte en poderosas candidatas para los sistemas ópticos de próxima generación. Este, dice, es el motivo por el cual su equipo se dedica a mejorar las capacidades de las metasuperficies escalables y fáciles de fabricar.

“Planeamos mejorar nuestras técnicas de diseño para lograr nanoestructuras tolerantes a las imperfecciones de fabricación. Esto nos permitirá utilizar tecnología de fabricación de gran volumen, como la fotolitografía, para hacer metalenses a gran escala que funcionen en el rango visible e incorporar diseños de nanoantenas más complejos, por ejemplo, nanoantenas de forma libre, para compensar la aberración cromática”, explica. Mundo de la física.

Las metasuperficies ayudan a dar forma a los rayos láser

Din Ping Tsai en la Universidad de la Ciudad de Hong Kong no participó en la investigación y cree que este trabajo amplía los escenarios de trabajo de los metalenses e inspirará la investigación sobre metalenses con grandes aperturas. Él dice que la litografía DUV podría usarse para lograr la fabricación de alto rendimiento de metalenses de bajo costo con una resolución razonable. Esto traería los componentes a la comercialización y los haría parte de nuestra vida diaria en los próximos años.

Tsai cree que la aberración cromática en los metales de Penn State limita su uso a aplicaciones monocromáticas. También señala que el diseño de lentes metálicas acromáticas de banda ancha de área grande sigue siendo un gran desafío y tiene una gran demanda. Además, cree que una máscara grande es la forma preferida de hacer metalenses para evitar errores de costura y simplificar el proceso de fabricación.

La investigación se describe en Letras Nano ACS.

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