대구경 금속망원경으로 달을 촬영하다

광학 메타표면의 실제 사용을 향한 중요한 단계가 미국의 연구원들에 의해 취해졌습니다. 팀은 일반적인 반도체 제조 공정을 사용하여 큰 구경의 평평한 금속 렌즈를 생산했습니다. 달을 겨냥한 간단한 망원경의 대물 렌즈로 사용하여 광학 성능을 입증했습니다. 망원경은 뛰어난 해상력을 달성했으며 달 표면의 선명한 이미지를 생성했습니다.

망원경은 400년 이상 우주를 들여다보는 데 사용되었습니다. 1600년대 초에 갈릴레오 갈릴레이는 목성의 위성을 관찰하기 위해 망원경을 사용했고 작년에는 제임스 웹 우주 망원경이 우주의 멋진 이미지를 찍기 시작했습니다.

오늘날 전문 천문학자들이 사용하는 망원경은 크고 부피가 커서 사용 방법과 장소에 제한이 있는 경우가 많습니다. 이러한 기기의 크기는 수차를 제거하고 원하는 고성능을 제공하는 데 필요한 큰 조리개와 종종 복잡한 다중 요소 광학 시스템의 결과입니다.

공학 나노구조

광학 메타표면은 망원경과 기타 광학 시스템을 더 작고 단순하게 만드는 잠재적인 방법을 제공합니다. 이들은 일련의 인공 광학 안테나로 생각할 수 있는 가공된 나노구조입니다(그림 참조). 이러한 안테나는 예를 들어 진폭, 위상 및 편광을 변경하여 빛을 조작할 수 있습니다.

이러한 메타 표면은 빛에 초점을 맞추도록 설계되어 기존 광학에 비해 상당한 이점을 제공할 수 있는 금속렌즈를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 메탈 렌즈의 평평한 표면은 구면 수차가 없으며 메탈 렌즈는 기존 광학에 비해 매우 얇고 무게가 가볍습니다.

그러나 금속 렌즈의 생산은 아직 초기 단계입니다. 현재 제조 방법은 전자빔(e-빔) 리소그래피 및 집속 이온빔(FIB) 기술과 같은 스캐닝 시스템을 기반으로 합니다. 이들은 느리고 비싸며 금속 렌즈의 크기를 몇 밀리미터로 제한합니다. 이것은 대량 생산을 거의 불가능하게 만들고 금속 렌즈가 현재 비싸고 망원경과 같은 대구경 응용 분야에 너무 작다는 것을 의미합니다.

메타 망원경

이제 Pennsylvania State University와 NASA-Goddard Space Flight Center의 연구원들은 금속 렌즈를 만드는 훨씬 더 나은 방법을 제시했습니다. 그들의 공정은 대규모 생산을 위해 확장될 수 있으며 망원경 응용 분야에 적합한 큰 구경 크기의 금속 렌즈를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

연구팀은 반도체 산업에서 일반적으로 사용되는 기술인 DUV(deep-ultraviolet) 리소그래피를 사용했다. 그들의 프로세스에는 80인치 실리카 웨이퍼의 상단을 패터닝하는 작업이 포함되었습니다. 직경 16mm의 메타 렌즈를 XNUMX개의 부품으로 나누어 웨이퍼의 서로 다른 사분면에 동일한 패턴을 노출시켜 결합했습니다. 패턴 스티칭 및 웨이퍼 회전으로 인해 전체 표면을 노출하는 값비싼 단일 대형 마스크가 필요하지 않았습니다.

강도 프로파일

금속 렌즈의 성능은 1200-1600 nm에 이르는 넓은 파장 범위에서 집중된 레이저 빔의 강도 프로파일을 측정하여 특징지어졌습니다. 테스트 결과 메탈렌즈는 1450nm에서 작동하도록 설계되었음에도 불구하고 전체 범위에 걸쳐 회절 한계에 가까운 빛에 집중할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 회절 분산은 파장 범위 전체에 걸쳐 초점 거리를 변화시켰습니다. 이는 색수차라고 하는 유해한 효과입니다.

메탈렌즈의 해상력은 망원경 내부의 대물렌즈로 사용하여 테스트되었습니다. 팀은 망원경을 사용하여 약 80km의 최소 분해 기능 크기로 달 표면의 다양한 기능을 성공적으로 이미지화했습니다. 이것은 지금까지 이러한 유형의 금속 렌즈에 대해 보고된 최고의 해상력입니다.

차세대 시스템

수석 연구원 니 싱지에 Pennsylvania State University의 연구진은 메타표면이 광학 분야의 게임 체인저가 될 수 있다고 믿습니다. 그 이유는 메타표면의 전례 없는 빛 조작 능력이 차세대 광학 시스템의 강력한 후보가 되기 때문입니다. 이것이 그의 팀이 확장 가능하고 제조 친화적인 메타 표면의 기능을 발전시키는 데 전념하는 이유라고 그는 말합니다.

“우리는 제조-불완전-내성 나노구조를 달성하기 위해 설계 기술을 개선할 계획입니다. 이를 통해 포토리소그래피와 같은 대량 제조 기술을 사용하여 가시 범위에서 작동하는 대규모 금속렌즈를 만들고 색수차를 보상하기 위해 자유형 모양의 나노안테나와 같은 보다 복잡한 나노안테나 디자인을 통합할 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. 물리 세계.

Metasurfaces는 레이저 빔을 형성하는 데 도움이 됩니다.

딘핑차이 City University of Hong Kong의 은 연구에 참여하지 않았으며 그는 이 작업이 금속 렌즈의 작업 시나리오를 확장하고 큰 구멍을 가진 금속 렌즈에 대한 연구에 영감을 줄 것이라고 생각합니다. 그는 DUV 리소그래피가 합리적인 해상도로 저비용 메탈 렌즈의 높은 처리량 제조를 달성하는 데 사용될 수 있다고 말했습니다. 이것은 구성 요소를 상용화하고 향후 몇 년 동안 일상 생활의 일부로 만들 것입니다.

Tsai는 Penn State metalens의 색수차로 인해 단색 응용 분야에 대한 사용이 제한된다고 생각합니다. 그는 또한 대면적 광대역 무채색 메타 렌즈의 설계가 여전히 큰 도전이며 강력한 수요가 있다고 지적합니다. 또한, 그는 스티칭 오류를 방지하고 제조 공정을 단순화하기 위해 큰 마스크가 메탈 렌즈를 만드는 데 선호되는 방법이라고 믿습니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. ACS 나노 편지.

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