Telescoop met metalens met grote opening brengt de maan in beeld

Een belangrijke stap naar het praktische gebruik van optische metasurfaces is gezet door onderzoekers in de VS. Het team gebruikte een gemeenschappelijk fabricageproces voor halfgeleiders om platte metalens met grote opening te produceren. De optische prestaties werden gedemonstreerd door het te gebruiken als objectieflens in een eenvoudige telescoop die op de maan was gericht. De telescoop bereikte een superieur oplossend vermogen en produceerde heldere beelden van het oppervlak van de maan.

Al meer dan 400 jaar worden telescopen gebruikt om in het heelal te kijken. Begin 1600 gebruikte Galileo Galilei een telescoop om de manen van Jupiter te observeren en vorig jaar begon de James Webb Space Telescope spectaculaire beelden van de kosmos te maken.

De telescopen die tegenwoordig door professionele astronomen worden gebruikt, zijn vaak groot en omvangrijk, wat vaak grenzen stelt aan hoe en waar ze kunnen worden gebruikt. De grootte van deze instrumenten is het resultaat van hun grote openingen en vaak gecompliceerde optische systemen met meerdere elementen die nodig zijn om aberraties te elimineren en de gewenste hoge prestaties te leveren.

Geconstrueerde nanostructuren

Optische metasurfaces bieden een mogelijke manier om telescopen en andere optische systemen kleiner en eenvoudiger te maken. Dit zijn geconstrueerde nanostructuren die kunnen worden gezien als een reeks kunstmatige optische antennes (zie figuur). Deze antennes kunnen licht manipuleren en bijvoorbeeld de amplitude, fase en polarisatie ervan veranderen.

Deze metasurfaces kunnen worden ontworpen om licht te focussen, waardoor metalenses worden gecreëerd die aanzienlijke voordelen kunnen bieden ten opzichte van conventionele optica. De platte oppervlakken van metalenses zijn bijvoorbeeld vrij van sferische aberraties en metalenses zijn ultradun en licht in gewicht in vergelijking met conventionele optica.

De productie van metalenses staat echter nog in de kinderschoenen. De huidige fabricagemethoden zijn gebaseerd op scansystemen zoals elektronenbundel (e-beam) lithografie en gefocusseerde ionenbundel (FIB) technieken. Deze zijn traag, duur en beperken de grootte van metalenses tot slechts enkele millimeters. Dit maakt grootschalige productie bijna onmogelijk en betekent dat metalenses momenteel duur en te klein zijn voor toepassingen met een groot diafragma, zoals telescopen.

Een meta-telescoop

Nu hebben onderzoekers van de Pennsylvania State University en het NASA-Goddard Space Flight Center een veel betere manier bedacht om metalenses te maken. Hun proces kan worden opgeschaald voor productie op grote schaal en kan worden gebruikt om metalenses te maken met grote openingen die geschikt zijn voor telescooptoepassingen.

Het team gebruikte diep-ultraviolet (DUV) lithografie, een techniek die veel wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie. Hun proces omvatte het modelleren van de bovenkant van een vier-inch silicawafel. Hun meta-lens met een diameter van 80 mm was verdeeld in 16 delen die werden gecombineerd door dezelfde patronen op verschillende kwadranten van de wafel bloot te leggen. Door het stikken van patronen en het roteren van de wafels was er geen duur enkel groot masker nodig dat het hele oppervlak blootlegt.

Intensiteit profiel

De prestaties van de metalens werden gekenmerkt door het meten van het intensiteitsprofiel van gefocusseerde laserstralen over een breed golflengtebereik van 1200-1600 nm. De tests toonden aan dat de metalens licht dicht bij de diffractielimiet over het hele bereik kunnen focussen, ondanks dat ze zijn ontworpen om te werken bij 1450 nm. De diffractieve dispersie varieerde echter wel de brandpuntsafstand over het hele golflengtebereik - een nadelig effect dat chromatische aberratie wordt genoemd.

Het oplossend vermogen van de metalens werd getest door het als objectieflens in een telescoop te gebruiken. Het team gebruikte de telescoop om met succes verschillende kenmerken van het maanoppervlak in beeld te brengen met een minimale resolutie van ongeveer 80 km. Dit is tot nu toe het best gerapporteerde oplossend vermogen voor dit type metalens.

Systemen van de volgende generatie

Hoofd onderzoeker Xingjie Ni aan de Pennsylvania State University gelooft dat metasurfaces een game-wisselaar in optica kunnen zijn, omdat hun ongekende vermogen tot lichtmanipulatie ze tot krachtige kandidaten maakt voor optische systemen van de volgende generatie. Dit, zegt hij, is de reden waarom zijn team zich toelegt op het verbeteren van de mogelijkheden van schaalbare, fabricagevriendelijke metasurfaces.

"We zijn van plan onze ontwerptechnieken te verbeteren om fabricage-imperfectie-tolerante nanostructuren te bereiken. Dit stelt ons in staat om grootschalige productietechnologieën zoals fotolithografie te gebruiken om grootschalige metalenses te maken die werken in het zichtbare bereik en om complexere nanoantenna-ontwerpen op te nemen, bijvoorbeeld nanoantennes met een vrije vorm, om chromatische aberratie te compenseren, "vertelt hij Natuurkunde wereld.

Metasurfaces helpen laserstralen te vormen

Din Ping Tsai aan de City University of Hong Kong was niet betrokken bij het onderzoek en hij denkt dat dit werk de werkscenario's van metalenses uitbreidt en onderzoek naar metalenses met grote openingen zal inspireren. Hij zegt dat DUV-lithografie kan worden gebruikt om de high-throughput-productie van goedkope metalenses met een redelijke resolutie te bereiken. Dit zou de componenten in de handel brengen en ze de komende jaren onderdeel van ons dagelijks leven maken.

Tsai is van mening dat de chromatische aberratie in de Penn State metalens het gebruik ervan beperkt tot monochromatische toepassingen. Hij wijst er ook op dat het ontwerp van breedband achromatische meta-lenzen met een groot oppervlak nog steeds een grote uitdaging is en er veel vraag naar is. Bovendien is hij van mening dat een groot masker de beste manier is om metalenses te maken om stikfouten te voorkomen en het fabricageproces te vereenvoudigen.

Het onderzoek is beschreven in ACS Nano-letters.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/