טלסקופ עם צמצם מתכת גדול מצלם את הירח

צעד חשוב לקראת השימוש המעשי במטא-משטחים אופטיים ננקט על ידי חוקרים בארה"ב. הצוות השתמש בתהליך ייצור מוליכים למחצה נפוץ כדי לייצר צמצם גדול, מתכות שטוחות. הביצועים האופטיים שלו הוכחו על ידי שימוש בו כעדשת האובייקטיב בטלסקופ פשוט שהיה מכוון לירח. הטלסקופ השיג כוח רזולוציה מעולה והפיק תמונות ברורות של פני הירח.

טלסקופים שימשו כדי להציץ אל היקום במשך יותר מ-400 שנה. בתחילת המאה ה-1600, גלילאו גליליי השתמש בטלסקופ כדי לצפות בירחי צדק ובשנה שעברה החל טלסקופ החלל ג'יימס ווב לצלם תמונות מרהיבות של הקוסמוס.

הטלסקופים המשמשים כיום אסטרונומים מקצועיים נוטים להיות גדולים ומסורבלים, מה שמציב לעתים קרובות מגבלות על האופן שבו והיכן ניתן להשתמש בהם. גודלם של מכשירים אלה הוא תוצאה של פתחים גדולים שלהם ומערכות אופטיות מרובי-אלמנטים מסובכות לעתים קרובות, הנחוצות כדי לחסל סטייות ולספק את הביצועים הגבוהים הרצויים.

מבנים ננו מהונדסים

משטחי מטא אופטיים מציעים דרך פוטנציאלית להפוך טלסקופים ומערכות אופטיות אחרות לקטנות ופשוטות יותר. אלו הם ננו-מבנים מהונדסים שניתן לחשוב עליהם כסדרה של אנטנות אופטיות מלאכותיות (ראה איור). אנטנות אלו יכולות לתמרן את האור, לשנות, למשל, את המשרעת, הפאזה והקיטוב שלו.

ניתן לעצב משטחים אלה כדי למקד אור, ובכך ליצור מתכות שיכולות להציע יתרונות משמעותיים על פני אופטיקה קונבנציונלית. לדוגמה, המשטחים השטוחים של המטאלנסים נקיים מסטיות כדוריות ומטאלנסים הם דקים במיוחד ובעלי משקל נמוך בהשוואה לאופטיקה קונבנציונלית.

עם זאת, ייצור המטאלנסים עדיין בחיתוליו. שיטות הייצור הנוכחיות מבוססות על מערכות סריקה כגון ליטוגרפיה של קרן אלקטרונים (קרן אלקטרונית) וטכניקות קרן יונים ממוקדת (FIB). אלה איטיים, יקרים ומגבילים את גודל המתכות לכמה מילימטרים בלבד. זה הופך את הייצור בנפח גדול לכמעט בלתי אפשרי, ומשמעות הדבר היא שמטאלנסים הם כיום יקרים וקטנים מדי עבור יישומים בעלי צמצם גדול כמו טלסקופים.

מטא-טלסקופ

כעת, חוקרים מאוניברסיטת מדינת פנסילבניה ומרכז טיסות החלל של נאס"א-גודארד מצאו דרך הרבה יותר טובה לייצר מתכות. ניתן להגדיל את התהליך שלהם לייצור בקנה מידה גדול וניתן להשתמש בהם ליצירת מתכות עם גדלי צמצמים גדולים המתאימים ליישומי טלסקופ.

הצוות השתמש בליטוגרפיה אולטרה סגול עמוקה (DUV), שהיא טכניקה הנפוצה בתעשיית המוליכים למחצה. התהליך שלהם כלל דפוס החלק העליון של רקיק סיליקה בגודל ארבעה אינץ'. עדשת המטה בקוטר 80 מ"מ שלהם חולקה ל-16 חלקים ששולבו על ידי חשיפת אותן דפוסים ברביעים שונים של הוואפר. תפירת דפוסים וסיבוב רקיק ביטלו את הצורך במסכה אחת גדולה ויקרה שחושפת את כל פני השטח.

פרופיל אינטנסיביות

הביצועים של המטאלנס אופיינו על ידי מדידת פרופיל העוצמה של קרני לייזר ממוקדות על פני טווח אורכי גל רחב המשתרע על פני 1200-1600 ננומטר. הבדיקות הראו שהמטאלנים יכולים למקד היטב את האור קרוב לגבול הדיפרקציה על פני כל הטווח, למרות שהם מתוכננים לפעול ב-1450 ננומטר. עם זאת, פיזור עקיף אכן שינה את אורך המוקד לאורך טווח אורכי הגל - השפעה מזיקה הנקראת סטייה כרומטית.

כוח הפתרון של המטאלנס נבדק על ידי שימוש בו כעדשה אובייקטיבית בתוך טלסקופ. הצוות השתמש בטלסקופ כדי לצלם בהצלחה מאפיינים שונים של פני הירח עם גודל תכונת רזולוציה מינימלית של כ-80 ק"מ. זהו כוח הפתרון המדווח הטוב ביותר עבור סוג זה של מתכות עד כה.

מערכות הדור הבא

חוקר מוביל Xingjie Ni באוניברסיטת מדינת פנסילבניה מאמינים שמטא-משטחים יכולים להיות מחליף משחק באופטיקה, מכיוון שהיכולת חסרת התקדים שלהם למניפולציה של אור הופכת אותם למועמדים רבי עוצמה למערכות אופטיות מהדור הבא. זו, הוא אומר, הסיבה לכך שהצוות שלו מוקדש לקידום היכולות של מטא-משטחים ניתנים להרחבה וידידותיים לייצור.

"אנחנו מתכננים לשפר את טכניקות העיצוב שלנו כדי להשיג ננו-מבנים עמידים בפני ייצור. זה יאפשר לנו להשתמש בטכנולוגיית ייצור בנפחים גבוהים כגון פוטוליתוגרפיה כדי לייצר מתכות בקנה מידה גדול הפועל בטווח הנראה ולשלב עיצובי ננו-אנטנה מורכבים יותר, למשל, ננו-אנטנות בצורת צורה חופשית, כדי לפצות על סטייה כרומטית", הוא אומר. עולם הפיזיקה.

משטחי מטא עוזרים לעצב קרני לייזר

דין פינג צאי באוניברסיטת העיר של הונג קונג לא היה מעורב במחקר והוא חושב שעבודה זו מרחיבה את תרחישי העבודה של מתכות ותעניק השראה למחקר על מתכות עם פתחים גדולים. הוא אומר שניתן להשתמש בליתוגרפיה של DUV כדי להשיג את התפוקה הגבוהה של ייצור מתכות בעלות נמוכה ברזולוציה סבירה. זה יביא את הרכיבים למסחור ויהפוך אותם לחלק מחיי היומיום שלנו בשנים הקרובות.

צאי מאמין שהסטייה הכרומטית במטאלים של פן סטייט מגבילה את השימוש בו ליישומים מונוכרומטיים. הוא גם מציין שהעיצוב של עדשת מטה אכרומטית בפס רחב בשטח גדול הוא עדיין אתגר גדול ויש לו ביקוש רב. בנוסף, הוא מאמין שמסכה גדולה היא הדרך המועדפת לייצור מתכות על מנת למנוע טעויות תפירה ולפשט את תהליך הייצור.

המחקר מתואר ב מכתבי ננו של ACS.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/