Telescopio con immagini metalens ad ampia apertura della Luna

Un passo importante verso l'uso pratico delle metasuperfici ottiche è stato compiuto dai ricercatori negli Stati Uniti. Il team ha utilizzato un comune processo di produzione di semiconduttori per produrre un metallo piatto di grande apertura. Le sue prestazioni ottiche sono state dimostrate utilizzandolo come obiettivo in un semplice telescopio puntato sulla Luna. Il telescopio ha raggiunto un potere di risoluzione superiore e ha prodotto immagini nitide della superficie della Luna.

I telescopi sono stati usati per scrutare l'universo per più di 400 anni. All'inizio del 1600, Galileo Galilei usò un telescopio per osservare le lune di Giove e l'anno scorso il James Webb Space Telescope iniziò a scattare immagini spettacolari del cosmo.

I telescopi utilizzati oggi dagli astronomi professionisti tendono ad essere grandi e ingombranti, il che spesso pone dei limiti su come e dove possono essere utilizzati. Le dimensioni di questi strumenti sono il risultato delle loro ampie aperture e dei sistemi ottici multielemento spesso complicati, necessari per eliminare le aberrazioni e fornire le prestazioni elevate desiderate.

Nanostrutture ingegnerizzate

Le metasuperfici ottiche offrono un modo potenziale per rendere i telescopi e altri sistemi ottici più piccoli e più semplici. Si tratta di nanostrutture ingegnerizzate che possono essere pensate come una serie di antenne ottiche artificiali (vedi figura). Queste antenne possono manipolare la luce, modificandone, ad esempio, l'ampiezza, la fase e la polarizzazione.

Queste metasuperfici possono essere progettate per focalizzare la luce, creando in tal modo metalli che possono offrire vantaggi significativi rispetto all'ottica convenzionale. Ad esempio, le superfici piatte delle lenti metalliche sono prive di aberrazioni sferiche e le lenti metalliche sono ultrasottili e di peso ridotto rispetto alle ottiche convenzionali.

Tuttavia, la produzione di metalenses è ancora agli inizi. Gli attuali metodi di fabbricazione si basano su sistemi di scansione come la litografia a fascio di elettroni (e-beam) e le tecniche a fascio ionico focalizzato (FIB). Questi sono lenti, costosi e limitano le dimensioni dei metalli a pochi millimetri. Ciò rende quasi impossibile la produzione di grandi volumi e significa che i metalensi sono attualmente costosi e troppo piccoli per le applicazioni di grande apertura come i telescopi.

Un meta-telescopio

Ora, i ricercatori della Pennsylvania State University e del NASA-Goddard Space Flight Center hanno escogitato un modo molto migliore per produrre metalensi. Il loro processo può essere ampliato per la produzione su larga scala e può essere utilizzato per creare metalli con grandi aperture adatte per applicazioni telescopiche.

Il team ha utilizzato la litografia nell'ultravioletto profondo (DUV), una tecnica comunemente utilizzata nell'industria dei semiconduttori. Il loro processo prevedeva la modellazione della parte superiore di un wafer di silice da quattro pollici. La loro lente metallica di 80 mm di diametro è stata divisa in 16 parti che sono state combinate esponendo gli stessi schemi su diversi quadranti del wafer. La cucitura del motivo e la rotazione del wafer hanno eliminato la necessità di una costosa singola maschera di grandi dimensioni che espone l'intera superficie.

Profilo di intensità

Le prestazioni dei metalens sono state caratterizzate misurando il profilo di intensità dei raggi laser focalizzati su un ampio intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 1200 e 1600 nm. I test hanno mostrato che i metalens possono mettere a fuoco strettamente la luce vicino al limite di diffrazione sull'intero intervallo, nonostante siano progettati per funzionare a 1450 nm. Tuttavia, la dispersione diffrattiva variava la lunghezza focale in tutta la gamma di lunghezze d'onda, un effetto dannoso chiamato aberrazione cromatica.

Il potere risolutivo del metalens è stato testato utilizzandolo come obiettivo all'interno di un telescopio. Il team ha utilizzato il telescopio per visualizzare con successo varie caratteristiche della superficie lunare con una dimensione minima delle caratteristiche di risoluzione di circa 80 km. Questo è il miglior potere risolutivo riportato finora per questo tipo di metallo.

Sistemi di nuova generazione

Ricercatore capo Xingjie Ni della Pennsylvania State University ritiene che le metasuperfici possano essere un punto di svolta nell'ottica, perché la loro capacità senza precedenti di manipolazione della luce le rende potenti candidati per i sistemi ottici di prossima generazione. Questo, dice, è il motivo per cui il suo team si dedica a far progredire le capacità di metasuperfici scalabili e facili da fabbricare.

“Abbiamo in programma di migliorare le nostre tecniche di progettazione per ottenere nanostrutture tolleranti alle imperfezioni di fabbricazione. Questo ci consentirà di utilizzare la tecnologia di produzione ad alto volume come la fotolitografia per realizzare metalensi su larga scala che funzionano nella gamma visibile e incorporare progetti di nanoantenne più complessi, ad esempio nanoantenne a forma libera, per compensare l'aberrazione cromatica ", dice Mondo della fisica.

Le metasuperfici aiutano a modellare i raggi laser

Din Ping Tsai presso la City University di Hong Kong non è stato coinvolto nella ricerca e pensa che questo lavoro espanda gli scenari di lavoro dei metalensi e ispirerà la ricerca sui metalensi con grandi aperture. Dice che la litografia DUV potrebbe essere utilizzata per ottenere la produzione ad alto rendimento di metalli a basso costo con una risoluzione ragionevole. Ciò porterebbe i componenti alla commercializzazione e li renderebbe parte della nostra vita quotidiana nei prossimi anni.

Tsai ritiene che l'aberrazione cromatica nei metalens Penn State ne limiti l'uso alle applicazioni monocromatiche. Sottolinea inoltre che la progettazione di lenti metalliche acromatiche a banda larga di ampia area è ancora una grande sfida ed è molto richiesta. Inoltre, ritiene che una maschera di grandi dimensioni sia il modo preferito per realizzare i metalensi al fine di evitare errori di cucitura e semplificare il processo di fabbricazione.

La ricerca è descritta in ACS Nano Lettere.

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