Suure avaga metaleeniga teleskoop pildistab Kuud

USA teadlased on astunud olulise sammu optiliste metapindade praktilise kasutamise suunas. Meeskond kasutas suure avaga lamedate metallide tootmiseks tavalist pooljuhtide tootmisprotsessi. Selle optilist jõudlust demonstreeriti, kasutades seda objektiivi objektiivina lihtsas teleskoobis, mis oli suunatud Kuule. Teleskoop saavutas suurepärase lahutusvõime ja andis Kuu pinnast selgeid pilte.

Teleskoope on universumisse piilumiseks kasutatud enam kui 400 aastat. 1600. aastate alguses kasutas Galileo Galilei teleskoopi Jupiteri kuude vaatlemiseks ja eelmisel aastal hakkas James Webbi kosmoseteleskoop kosmosest suurejoonelisi pilte tegema.

Tänapäeval professionaalsete astronoomide kasutatavad teleskoobid kipuvad olema suured ja mahukad, mis seab sageli piirangud nende kasutamisele ja kus neid saab kasutada. Nende instrumentide suurus on tingitud nende suurtest avadest ja sageli keerukatest mitmeelemendilistest optilistest süsteemidest, mis on vajalikud aberratsioonide kõrvaldamiseks ja soovitud kõrge jõudluse tagamiseks.

Projekteeritud nanostruktuurid

Optilised metapinnad pakuvad potentsiaalset viisi teleskoopide ja muude optiliste süsteemide väiksemaks ja lihtsamaks muutmiseks. Need on konstrueeritud nanostruktuurid, mida võib pidada tehislike optiliste antennide seeriaks (vt joonist). Need antennid võivad manipuleerida valgusega, muutes näiteks selle amplituudi, faasi ja polarisatsiooni.

Neid metapindasid saab konstrueerida valguse fokuseerimiseks, luues seeläbi metalleenseid, mis võivad pakkuda olulisi eeliseid võrreldes tavapärase optikaga. Näiteks metallkihtide lamedad pinnad on vabad sfäärilistest aberratsioonidest ning metallmaterjalid on tavapärase optikaga võrreldes üliõhukesed ja väikese kaaluga.

Metaleenide tootmine on aga alles lapsekingades. Praegused valmistamismeetodid põhinevad skaneerimissüsteemidel, nagu elektronkiire (e-kiir) litograafia ja fokuseeritud ioonkiire (FIB) tehnikad. Need on aeglased, kallid ja piiravad metallide suurust vaid mõne millimeetrini. See muudab suuremahulise tootmise peaaegu võimatuks ja tähendab, et metallid on praegu kallid ja liiga väikesed suure avaga rakenduste, näiteks teleskoopide jaoks.

Metateleskoop

Nüüd on Pennsylvania osariigi ülikooli ja NASA-Goddardi kosmoselennukeskuse teadlased leidnud palju parema viisi metalleenide valmistamiseks. Nende protsessi saab laiendada suuremahuliseks tootmiseks ja seda saab kasutada suure avaga metallide loomiseks, mis sobivad teleskoobirakendusteks.

Meeskond kasutas sügav-ultravioletset (DUV) litograafiat, mis on pooljuhtide tööstuses tavaliselt kasutatav tehnika. Nende protsess hõlmas neljatollise ränidioksiidi vahvli ülaosa mustri kujundamist. Nende 80 mm läbimõõduga meta-objektiiv oli jagatud 16 osaks, mis ühendati, paljastades vahvli erinevatel kvadrantidel samu mustreid. Mustri õmblemine ja vahvlite pööramine välistasid vajaduse kalli ühe suure maski järele, mis paljastaks kogu pinna.

Intensiivsuse profiil

Metaleenide jõudlust iseloomustati fokuseeritud laserkiirte intensiivsuse profiili mõõtmisega laias lainepikkuste vahemikus 1200–1600 nm. Katsed näitasid, et metaleenid suudavad valgust tihedalt fokuseerida difraktsioonipiiri lähedale kogu vahemikus, hoolimata sellest, et need on kavandatud töötama lainepikkusel 1450 nm. Kuid difraktiivne dispersioon muutis fookuskaugust kogu lainepikkuse vahemikus - kahjulikku mõju, mida nimetatakse kromaatiliseks aberratsiooniks.

Metaleenide lahutusvõimet testiti kasutades seda teleskoobi sees objektiivina. Meeskond kasutas teleskoopi, et edukalt pildistada Kuu pinna erinevaid tunnuseid, mille minimaalne eraldusvõime suurus on umbes 80 km. See on seda tüüpi metallide seni parim teatatud lahutusvõime.

Järgmise põlvkonna süsteemid

Juhtiv uurija Xingjie Ni Pennsylvania osariigi ülikoolis usub, et metapinnad võivad optikas muuta mängu, sest nende enneolematu valguse manipuleerimise võime muudab need võimsateks kandidaatideks järgmise põlvkonna optiliste süsteemide jaoks. Tema sõnul on see põhjus, miks tema meeskond on pühendunud skaleeritavate, valmistamissõbralike metapindade võimaluste edendamisele.

"Kavatseme täiustada oma disainitehnikaid, et saavutada valmistamise ebatäiuslikkust taluvad nanostruktuurid. See võimaldab meil kasutada suuremahulisi tootmistehnoloogiaid, näiteks fotolitograafiat, et muuta suuremahulised metalleenid, mis töötavad nähtavas piirkonnas, ja lisada kromaatiliste aberratsioonide kompenseerimiseks keerukamaid nanoantennide konstruktsioone, näiteks vabakujulisi nanoantenne,“ räägib ta. Füüsika maailm.

Metapinnad aitavad kujundada laserkiiri

Din Ping Tsai Hongkongi linnaülikoolis ei osalenud uurimistöös ja ta arvab, et see töö laiendab metallide tööstsenaariume ja inspireerib uurima suurte avadega metalense. Ta ütleb, et DUV-litograafiat saab kasutada mõistliku eraldusvõimega odavate metallide suure läbilaskevõime saavutamiseks. See tooks komponendid kommertsialiseerimisele ja muudaks need lähiaastatel meie igapäevaelu osaks.

Tsai usub, et Penn State'i metallide kromaatiline aberratsioon piirab selle kasutamist monokromaatiliste rakendustega. Ta juhib tähelepanu ka sellele, et suure ala lairiba akromaatilise meta-objektiivi disain on endiselt suur väljakutse ja selle järele on suur nõudlus. Lisaks usub ta, et suur mask on eelistatud viis metallide valmistamiseks, et vältida õmblusvigu ja lihtsustada valmistamisprotsessi.

Uuringut kirjeldatakse artiklis ACS Nano Letters.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/