Suurella aukolla varustettu kaukoputki kuvaa Kuuta

USA:n tutkijat ovat ottaneet tärkeän askeleen kohti optisten metapintojen käytännön käyttöä. Tiimi käytti yleistä puolijohteiden valmistusprosessia suuren aukon, litteiden metallien valmistamiseen. Sen optinen suorituskyky osoitettiin käyttämällä sitä objektiivina yksinkertaisessa kaukoputkessa, joka oli suunnattu Kuuhun. Teleskooppi saavutti ylivoimaisen erotuskyvyn ja tuotti selkeitä kuvia Kuun pinnasta.

Teleskooppeja on käytetty maailmankaikkeuden kurkistamiseen yli 400 vuoden ajan. 1600-luvun alussa Galileo Galilei käytti teleskooppia tarkkaillakseen Jupiterin kuita, ja viime vuonna James Webb -avaruusteleskooppi alkoi ottaa upeita kuvia kosmoksesta.

Ammattitähtitieteilijöiden nykyään käyttämät kaukoputket ovat yleensä suuria ja tilaa vieviä, mikä usein asettaa rajoituksia niiden käytölle ja missä niitä voidaan käyttää. Näiden instrumenttien koko johtuu niiden suurista aukoista ja usein monimutkaisista monielementtioptisista järjestelmistä, jotka ovat välttämättömiä poikkeamien poistamiseksi ja halutun korkean suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Suunnitellut nanorakenteet

Optiset metapinnat tarjoavat mahdollisuuden tehdä kaukoputkesta ja muista optisista järjestelmistä pienempiä ja yksinkertaisempia. Nämä ovat suunniteltuja nanorakenteita, joita voidaan pitää sarjana keinotekoisia optisia antenneja (katso kuva). Nämä antennit voivat manipuloida valoa muuttamalla esimerkiksi sen amplitudia, vaihetta ja polarisaatiota.

Nämä metapinnat voidaan suunnitella fokusoimaan valoa, jolloin saadaan aikaan metalleja, jotka voivat tarjota merkittäviä etuja tavanomaiseen optiikkaan verrattuna. Esimerkiksi metallien tasaiset pinnat ovat vapaita pallomaisista poikkeavuuksista ja metallikalvot ovat erittäin ohuita ja painoltaan kevyitä verrattuna perinteiseen optiikkaan.

Metaleenien tuotanto on kuitenkin vielä lapsenkengissään. Nykyiset valmistusmenetelmät perustuvat pyyhkäisyjärjestelmiin, kuten elektronisuihkulitografiaan (e-beam) ja fokusoituun ionisuihkutekniikkaan (FIB). Ne ovat hitaita, kalliita ja rajoittavat metallien koon vain muutamaan millimetriin. Tämä tekee suurten volyymien tuotannon lähes mahdottomaksi ja tarkoittaa, että metallilasit ovat tällä hetkellä kalliita ja liian pieniä suuriaukkoisiin sovelluksiin, kuten teleskoopeihin.

Metateleskooppi

Nyt Pennsylvanian osavaltion yliopiston ja NASA-Goddard Space Flight Centerin tutkijat ovat keksineet paljon paremman tavan valmistaa metallisia. Niiden prosessia voidaan skaalata suuren mittakaavan tuotantoa varten, ja niistä voidaan luoda suuren aukon omaavia metallilevyjä, jotka soveltuvat teleskooppisovelluksiin.

Ryhmä käytti syvä-ultravioletti (DUV) litografiaa, joka on puolijohdeteollisuudessa yleisesti käytetty tekniikka. Heidän prosessinsa sisälsi neljän tuuman piidioksidikiekon yläosan kuvioinnin. Niiden halkaisijaltaan 80 mm:n meta-linssi jaettiin 16 osaan, jotka yhdistettiin paljastamalla samat kuviot kiekon eri kvadranteissa. Kuvioiden ompeleminen ja kiekkojen kierto eliminoivat kalliin yhden suuren maskin tarpeen, joka paljastaa koko pinnan.

Intensiteettiprofiili

Metaleenien suorituskykyä karakterisoitiin mittaamalla fokusoitujen lasersäteiden intensiteettiprofiilia laajalla aallonpituusalueella 1200–1600 nm. Testit osoittivat, että metaleenit pystyvät tiukasti fokusoimaan valoa lähelle diffraktiorajaa koko alueella, vaikka ne on suunniteltu toimimaan 1450 nm:ssä. Diffraktiivinen dispersio kuitenkin vaihteli polttoväliä koko aallonpituusalueella - haitallinen vaikutus, jota kutsutaan kromaattiseksi aberraatioksi.

Metaleenien erotuskykyä testattiin käyttämällä sitä objektiivina kaukoputken sisällä. Tiimi käytti kaukoputkea kuvatakseen onnistuneesti erilaisia ​​Kuun pinnan piirteitä, joiden resoluution vähimmäiskoko on noin 80 km. Tämä on tähän mennessä paras tämän tyyppisten metallien erotuskyky.

Uuden sukupolven järjestelmät

Johtava tutkija Xingjie Ni Pennsylvanian osavaltion yliopistossa uskotaan, että metapinnat voivat olla pelin muuttaja optiikassa, koska niiden ennennäkemätön valonkäsittelykyky tekee niistä tehokkaita ehdokkaita seuraavan sukupolven optisiin järjestelmiin. Hänen mukaansa tämän vuoksi hänen tiiminsä on omistautunut skaalautuvien, valmistusystävällisten metapintojen ominaisuuksien kehittämiseen.

"Aiomme parantaa suunnittelutekniikoitamme saavuttaaksemme valmistuksen epätäydellisyyttä sietäviä nanorakenteita. Tämä mahdollistaa suuren volyymin valmistustekniikan, kuten fotolitografian, suuren mittakaavan metallien saattamiseksi toimimaan näkyvällä alueella ja monimutkaisempien nanoantennirakenteiden, esimerkiksi vapaamuotoisten nanoantennien, kompensoimiseksi kromaattisen poikkeaman, hän kertoo. Fysiikan maailma.

Metapinnat auttavat muotoilemaan lasersäteitä

Din Ping Tsai Hongkongin kaupunginyliopistossa ei ollut mukana tutkimuksessa, ja hän uskoo tämän työn laajentavan metaleenien työskentelyskenaarioita ja inspiroivan tutkimukseen metallienseista, joissa on suuria aukkoja. Hän sanoo, että DUV-litografiaa voitaisiin käyttää korkean suorituskyvyn saavuttamiseksi edullisien metallien valmistukseen kohtuullisella resoluutiolla. Tämä tuo komponentit kaupallistamiseen ja tekisi niistä osa jokapäiväistä elämäämme tulevina vuosina.

Tsai uskoo, että Penn Staten metallien kromaattinen aberraatio rajoittaa sen käytön monokromaattisiin sovelluksiin. Hän huomauttaa myös, että laajakaistaisten akromaattisten metalinssien suunnittelu on edelleen suuri haaste ja sillä on kova kysyntä. Lisäksi hän uskoo, että iso maski on paras tapa valmistaa metallilevyjä ompeluvirheiden välttämiseksi ja valmistusprosessin yksinkertaistamiseksi.

Tutkimusta kuvataan ACS Nano Letters.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/