A nagy rekesznyílású fémteleszkóp felvételeket készít a Holdról

Az Egyesült Államok kutatói fontos lépést tettek az optikai metafelületek gyakorlati felhasználása felé. A csapat egy általános félvezető-gyártási eljárást alkalmazott nagy nyílású, lapos fémek előállításához. Optikai teljesítményét azzal igazolták, hogy objektívként használták egy egyszerű teleszkópban, amely a Holdra irányult. A teleszkóp kiváló felbontóképességet ért el, és tiszta képeket készített a Hold felszínéről.

A teleszkópokat több mint 400 éve használták a világegyetembe való betekintésre. Az 1600-as évek elején Galileo Galilei távcsövet használt a Jupiter holdjainak megfigyelésére, tavaly pedig a James Webb Űrteleszkóp kezdett el látványos képeket készíteni a kozmoszról.

A hivatásos csillagászok által manapság használt teleszkópok általában nagyok és terjedelmesek, ami gyakran korlátozza a használatuk módját és helyét. Ezeknek a műszereknek a mérete a nagy nyílások és a gyakran bonyolult többelemes optikai rendszerek eredménye, amelyek szükségesek az aberrációk kiküszöböléséhez és a kívánt nagy teljesítmény eléréséhez.

Tervezett nanostruktúrák

Az optikai metafelületek potenciális módot kínálnak a teleszkópok és más optikai rendszerek kisebbre és egyszerűbbé tételére. Ezek mesterségesen kialakított nanostruktúrák, amelyek mesterséges optikai antennák sorozatának tekinthetők (lásd az ábrát). Ezek az antennák képesek manipulálni a fényt, megváltoztatva például annak amplitúdóját, fázisát és polarizációját.

Ezeket a metafelületeket úgy lehet megtervezni, hogy fókuszálják a fényt, ezáltal olyan fémrétegek állíthatók elő, amelyek jelentős előnyöket kínálnak a hagyományos optikához képest. Például a fémlemezek lapos felületei mentesek a gömbaberrációtól, a fémlemezek pedig ultravékonyak és kis súlyúak a hagyományos optikához képest.

A metalenzek előállítása azonban még gyerekcipőben jár. A jelenlegi gyártási módszerek olyan pásztázó rendszereken alapulnak, mint az elektronsugaras (e-beam) litográfia és a fókuszált ionsugár (FIB) technikák. Ezek lassúak, drágák, és néhány milliméterre korlátozzák a fémlemezek méretét. Ez szinte lehetetlenné teszi a nagy mennyiségű gyártást, és azt jelenti, hogy a fémlencsék jelenleg drágák és túl kicsik a nagy rekesznyílású alkalmazásokhoz, például a teleszkópokhoz.

Egy metateleszkóp

A Pennsylvania Állami Egyetem és a NASA-Goddard Űrrepülési Központ kutatói most egy sokkal jobb módszert találtak ki a metalenzek előállítására. Eljárásuk nagyszabású gyártáshoz skálázható, és nagy nyílásméretű, teleszkópos alkalmazásokhoz alkalmas fémlemezek készítésére használható.

A csapat mély-ultraibolya (DUV) litográfiát használt, amely a félvezetőiparban általánosan használt technika. Eljárásuk egy négy hüvelykes szilícium-dioxid ostya tetejét mintázta. 80 mm átmérőjű metalencséjüket 16 részre osztották, amelyeket úgy kombináltak, hogy az ostya különböző kvadránsain ugyanazokat a mintákat tették ki. A mintavarrás és az ostyaforgatás szükségtelenné tette a drága egyetlen nagy maszkot, amely a teljes felületet szabaddá teszi.

Intenzitás profil

A fémek teljesítményét a fókuszált lézersugarak intenzitásprofiljának mérése jellemezte széles, 1200-1600 nm közötti hullámhossz-tartományban. A tesztek azt mutatták, hogy a fémek a teljes tartományban képesek szorosan fókuszálni a fényt a diffrakciós határ közelében, annak ellenére, hogy 1450 nm-en működnek. A diffrakciós diszperzió azonban változtatta a gyújtótávolságot a teljes hullámhossz-tartományban – ezt a káros hatást kromatikus aberrációnak nevezik.

A fémek felbontóképességét távcsőben objektívlencseként használva tesztelték. A csapat a távcső segítségével sikeresen leképezte a Hold felszínének különböző jellemzőit, körülbelül 80 km-es minimális felbontási mérettel. Ez az eddigi legjobb felbontóképesség az ilyen típusú metaleneknél.

Következő generációs rendszerek

Vezető kutató Xingjie Ni A Pennsylvaniai Állami Egyetemen úgy vélik, hogy a metafelületek megváltoztathatják az optikát, mivel példátlan fénymanipulációs képességük miatt a következő generációs optikai rendszerek hatékony jelöltjei. Azt mondja, ez az oka annak, hogy csapata elkötelezett a méretezhető, gyártásbarát metafelületek képességeinek fejlesztése iránt.

„Azt tervezzük, hogy továbbfejlesztjük tervezési technikáinkat, hogy gyártási tökéletlenségtűrő nanostruktúrákat érjünk el. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy nagy volumenű gyártási technológiát, például fotolitográfiát használjunk a látható tartományban működő nagyméretű fémelemek előállításához, és bonyolultabb nanoantenna-konstrukciókat, például szabad formájú nanoantennákat építsünk be a kromatikus aberráció kompenzálására” – mondja. Fizika Világa.

A metafelületek segítik a lézersugarak formálását

Din Ping Tsai a City University of Hong Kong nem vett részt a kutatásban, és úgy gondolja, hogy ez a munka kibővíti a metalensek működési forgatókönyveit, és ösztönözni fogja a nagy nyílásokkal rendelkező fémek kutatását. Azt mondja, hogy a DUV litográfiával alacsony költségű fémlemezek ésszerű felbontású nagy áteresztőképességű gyártása érhető el. Ez az összetevőket kereskedelmi forgalomba hozza, és mindennapi életünk részévé tenné őket az elkövetkező években.

Tsai úgy véli, hogy a Penn State metalen kromatikus aberrációja a monokromatikus alkalmazásokra korlátozza a használatát. Arra is felhívja a figyelmet, hogy a nagy felületű, szélessávú akromatikus metalencsék tervezése továbbra is nagy kihívást jelent, és nagy az igény. Ezen túlmenően úgy véli, hogy a fémlemezek készítésének előnyben részesített módja a nagy maszk a varrási hibák elkerülése és a gyártási folyamat egyszerűsítése érdekében.

A kutatás leírása a ACS Nano Letters.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/