Un télescope avec des images métalliques à grande ouverture de la Lune

Une étape importante vers l'utilisation pratique des métasurfaces optiques a été franchie par des chercheurs américains. L'équipe a utilisé un processus de fabrication de semi-conducteurs courant pour produire une lentille métallique plate à grande ouverture. Ses performances optiques ont été démontrées en l'utilisant comme objectif dans un simple télescope dirigé vers la Lune. Le télescope a atteint un pouvoir de résolution supérieur et a produit des images claires de la surface de la Lune.

Les télescopes sont utilisés pour scruter l'univers depuis plus de 400 ans. Au début des années 1600, Galileo Galilei a utilisé un télescope pour observer les lunes de Jupiter et l'année dernière, le télescope spatial James Webb a commencé à prendre des images spectaculaires du cosmos.

Les télescopes utilisés aujourd'hui par les astronomes professionnels ont tendance à être grands et encombrants, ce qui limite souvent la manière et l'endroit où ils peuvent être utilisés. La taille de ces instruments est le résultat de leurs grandes ouvertures et des systèmes optiques multi-éléments souvent compliqués qui sont nécessaires pour éliminer les aberrations et fournir les hautes performances souhaitées.

Nanostructures manufacturées

Les métasurfaces optiques offrent un moyen potentiel de rendre les télescopes et autres systèmes optiques plus petits et plus simples. Ce sont des nanostructures artificielles qui peuvent être considérées comme une série d'antennes optiques artificielles (voir figure). Ces antennes peuvent manipuler la lumière, en modifiant, par exemple, son amplitude, sa phase et sa polarisation.

Ces métasurfaces peuvent être conçues pour focaliser la lumière, créant ainsi des lentilles métalliques qui peuvent offrir des avantages significatifs par rapport à l'optique conventionnelle. Par exemple, les surfaces planes des lentilles métalliques sont exemptes d'aberrations sphériques et les lentilles métalliques sont ultrafines et légères par rapport aux optiques conventionnelles.

Cependant, la production de métalenses en est encore à ses balbutiements. Les méthodes de fabrication actuelles sont basées sur des systèmes de balayage tels que la lithographie par faisceau d'électrons (e-beam) et les techniques de faisceau d'ions focalisé (FIB). Celles-ci sont lentes, coûteuses et limitent la taille des métalenses à quelques millimètres seulement. Cela rend la production à grande échelle presque impossible et signifie que les lentilles métalliques sont actuellement chères et trop petites pour les applications à grande ouverture telles que les télescopes.

Un méta-télescope

Maintenant, des chercheurs de la Pennsylvania State University et du NASA-Goddard Space Flight Center ont trouvé une bien meilleure façon de fabriquer des métalenses. Leur processus peut être mis à l'échelle pour une production à grande échelle et peut être utilisé pour créer des lentilles métalliques avec de grandes tailles d'ouverture qui conviennent aux applications de télescope.

L'équipe a utilisé la lithographie dans l'ultraviolet profond (DUV), une technique couramment utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs. Leur processus consistait à modeler le dessus d'une tranche de silice de quatre pouces. Leur méta-lentille de 80 mm de diamètre a été divisée en 16 parties qui ont été combinées en exposant les mêmes motifs sur différents quadrants de la plaquette. La couture du motif et la rotation des plaquettes ont éliminé le besoin d'un seul grand masque coûteux qui expose toute la surface.

Profil d'intensité

La performance des métalènes a été caractérisée en mesurant le profil d'intensité des faisceaux laser focalisés sur une large gamme de longueurs d'onde couvrant 1200–1600 nm. Les tests ont montré que les métalènes peuvent focaliser étroitement la lumière proche de la limite de diffraction sur toute la gamme, bien qu'ils soient conçus pour fonctionner à 1450 nm. Cependant, la dispersion diffractive faisait varier la distance focale sur toute la gamme de longueurs d'onde - un effet néfaste appelé aberration chromatique.

Le pouvoir de résolution du métalène a été testé en l'utilisant comme lentille d'objectif à l'intérieur d'un télescope. L'équipe a utilisé le télescope pour imager avec succès diverses caractéristiques de la surface de la Lune avec une taille minimale de résolution d'environ 80 km. Il s'agit du meilleur pouvoir de résolution signalé pour ce type de métalènes jusqu'à présent.

Systèmes de nouvelle génération

Chercheur principal Xingjie Ni de l'Université d'État de Pennsylvanie estime que les métasurfaces peuvent changer la donne en matière d'optique, car leur capacité sans précédent de manipulation de la lumière en fait de puissants candidats pour les systèmes optiques de nouvelle génération. C'est pourquoi, dit-il, son équipe se consacre à faire progresser les capacités des métasurfaces évolutives et faciles à fabriquer.

« Nous prévoyons d'améliorer nos techniques de conception pour obtenir des nanostructures tolérantes aux imperfections de fabrication. Cela nous permettra d'utiliser une technologie de fabrication à haut volume telle que la photolithographie pour fabriquer des métallèses à grande échelle fonctionnant dans le visible et incorporer des conceptions de nanoantennes plus complexes, par exemple des nanoantennes de forme libre, pour compenser l'aberration chromatique », a-t-il déclaré. Monde de la physique.

Les métasurfaces aident à façonner les faisceaux laser

Din Ping Tsaï à la City University of Hong Kong n'a pas été impliqué dans la recherche et il pense que ce travail élargit les scénarios de travail des métalenses et inspirera la recherche sur les métalenses à grandes ouvertures. Il dit que la lithographie DUV pourrait être utilisée pour réaliser la fabrication à haut débit de lentilles métalliques à faible coût avec une résolution raisonnable. Cela permettrait de commercialiser les composants et de les intégrer à notre quotidien dans les années à venir.

Tsai pense que l'aberration chromatique dans les métalens de Penn State limite son utilisation aux applications monochromatiques. Il souligne également que la conception de méta-lentilles achromatiques à large bande de grande surface reste un défi de taille et est en forte demande. De plus, il pense qu'un grand masque est le moyen privilégié pour fabriquer des lentilles métalliques afin d'éviter les erreurs de couture et de simplifier le processus de fabrication.

La recherche est décrite dans ACS Nano Lettres.

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