大口径メタレンズを備えた望遠鏡が月を撮影

光学メタサーフェスの実用化に向けた重要な一歩が、米国の研究者によって踏み出されました。 チームは、一般的な半導体製造プロセスを使用して、大口径の平坦なメタレンズを製造しました。 その光学性能は、月に向けられた単純な望遠鏡の対物レンズとして使用することによって実証されました。 この望遠鏡は優れた解像力を達成し、月面の鮮明な画像を生成しました。

望遠鏡は、400 年以上にわたって宇宙をのぞくために使用されてきました。 1600 年代初頭、ガリレオ ガリレイは望遠鏡を使って木星の衛星を観察し、昨年、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡が宇宙の壮大な画像を撮影し始めました。

プロの天文学者が現在使用している望遠鏡は、大きくてかさばる傾向があり、使用方法や場所が制限されることがよくあります。 これらの機器のサイズは、収差を排除し、必要な高性能を提供するために必要な、大きな開口部と、しばしば複雑なマルチエレメント光学システムの結果です。

人工ナノ構造

光学メタサーフェスは、望遠鏡やその他の光学システムをより小さく、よりシンプルにする潜在的な方法を提供します。 これらは、一連の人工光アンテナと考えることができる人工ナノ構造です (図を参照)。 これらのアンテナは、光を操作して、振幅、位相、偏光などを変化させることができます。

これらのメタサーフェスは、光を集束するように設計できるため、従来の光学系に比べて大きな利点を提供できるメタレンズを作成できます。 たとえば、メタレンズの平面には球面収差がなく、メタレンズは従来の光学系と比較して極薄で軽量です。

しかし、メタレンズの生産はまだ始まったばかりです。 現在の製造方法は、電子ビーム (e ビーム) リソグラフィーや集束イオン ビーム (FIB) 技術などの走査システムに基づいています。 これらは遅く、高価で、メタレンズのサイズをわずか数ミリメートルに制限します。 これは大量生産をほとんど不可能にし、メタレンズは現在高価であり、望遠鏡などの大口径アプリケーションには小さすぎることを意味します.

メタ望遠鏡

現在、ペンシルバニア州立大学と NASA ゴダード宇宙飛行センターの研究者は、メタレンズを作るためのはるかに優れた方法を考え出しました。 彼らのプロセスは、大規模生産用にスケールアップすることができ、望遠鏡用途に適した大きな開口サイズのメタレンズを作成するために使用できます。

チームは、半導体業界で一般的に使用されている技術である深紫外 (DUV) リソグラフィーを使用しました。 彼らのプロセスには、80 インチのシリカ ウエハーの上部をパターン化することが含まれていました。 彼らの直径 16 mm のメタレンズは XNUMX の部分に分割され、ウエハーの異なる象限に同じパターンを露光することによって結合されました。 パターンのスティッチングとウェーハの回転により、全面を露光する高価な単一の大型マスクが不要になりました。

強度プロファイル

メタレンズの性能は、1200 ～ 1600 nm にまたがる広い波長範囲にわたって集束レーザー ビームの強度プロファイルを測定することによって特徴付けられました。 テストでは、メタレンズが 1450 nm で動作するように設計されているにもかかわらず、全範囲にわたって回折限界に近い光をしっかりと集束できることが示されました。 ただし、回折分散は、波長範囲全体で焦点距離を変化させました。これは、色収差と呼ばれる有害な影響です。

メタレンズの解像力は、望遠鏡内の対物レンズとして使用してテストされました。 チームは望遠鏡を使用して、月の表面のさまざまな特徴を、約 80 km の最小解像特徴サイズで正常に画像化しました。 これは、これまでに報告されたこのタイプのメタレンズの最高の分解能です。

次世代システム

主任研究員 ニ・シンジェ ペンシルバニア州立大学の博士らは、メタサーフェスは光学のゲーム チェンジャーになる可能性があると考えています。これは、光を操作する前例のない能力により、メタサーフェスが次世代の光学システムの有力な候補となるためです。 これが、彼のチームがスケーラブルで製造しやすいメタサーフェスの機能を向上させることに専念している理由だと彼は言います。

「私たちは、設計技術を改善して、製造の不完全性に耐性のあるナノ構造を実現する予定です。 これにより、フォトリソグラフィーなどの大量生産技術を使用して、可視範囲で動作する大規模なメタレンズを作成し、より複雑なナノアンテナ設計 (たとえば、自由形状のナノアンテナ) を組み込んで色収差を補正することができます」と彼は言います。 物理学の世界.

メタサーフェスはレーザービームの成形に役立ちます

蔡鼎平 香港市立大学の博士はこの研究に関与していませんでしたが、彼は、この研究がメタレンズの作業シナリオを拡大し、大口径のメタレンズに関する研究を刺激すると考えています。 彼は、DUV リソグラフィを使用して、妥当な解像度で低コストのメタレンズを高スループットで製造できる可能性があると述べています。 これにより、コンポーネントが商品化され、今後数年間で日常生活の一部になります。

蔡氏は、ペンシルベニア州立大学のメタレンズの色収差により、その使用が単色用途に制限されていると考えています。 彼はまた、大面積のブロードバンド アクロマティック メタレンズの設計は依然として大きな課題であり、強い需要があることを指摘しています。 さらに、彼は、スティッチングエラーを回避し、製造プロセスを簡素化するために、大きなマスクがメタレンズを作成するための好ましい方法であると考えています.

研究はで説明されています ACSナノレター.

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