Teleskop med metalens med stor blenderåpning avbilder månen

Et viktig skritt mot praktisk bruk av optiske metaflater er tatt av forskere i USA. Teamet brukte en vanlig halvlederproduksjonsprosess for å produsere flate metaller med stor åpning. Dens optiske ytelse ble demonstrert ved å bruke den som objektivlinse i et enkelt teleskop som var rettet mot månen. Teleskopet oppnådde overlegen oppløsningskraft og produserte klare bilder av månens overflate.

Teleskoper har blitt brukt til å se ut i universet i mer enn 400 år. På begynnelsen av 1600-tallet brukte Galileo Galilei et teleskop for å observere månene til Jupiter, og i fjor begynte romteleskopet James Webb å ta spektakulære bilder av kosmos.

Teleskopene som brukes i dag av profesjonelle astronomer har en tendens til å være store og klumpete, noe som ofte setter begrensninger for hvordan og hvor de kan brukes. Størrelsen på disse instrumentene er et resultat av deres store blenderåpninger og ofte kompliserte optiske systemer med flere elementer som er nødvendige for å eliminere aberrasjoner og gi ønsket høy ytelse.

Konstruerte nanostrukturer

Optiske metaflater tilbyr en potensiell måte å gjøre teleskoper og andre optiske systemer mindre og enklere på. Dette er konstruerte nanostrukturer som kan betraktes som en serie kunstige optiske antenner (se figur). Disse antennene kan manipulere lys, endre for eksempel amplitude, fase og polarisering.

Disse metaoverflatene kan konstrueres for å fokusere lys, og dermed skape metallenes som kan tilby betydelige fordeler i forhold til konvensjonell optikk. For eksempel er de flate overflatene til metalenses fri for sfæriske aberrasjoner og metalenses er ultratynne og har lav vekt sammenlignet med konvensjonell optikk.

Produksjonen av metalenses er imidlertid fortsatt i sin spede begynnelse. Nåværende fabrikasjonsmetoder er basert på skanningssystemer som elektronstråle (e-beam) litografi og fokusert ionestråle (FIB) teknikker. Disse er trege, dyre og begrenser størrelsen på metallen til bare noen få millimeter. Dette gjør produksjon av store volum nesten umulig og betyr at metallenes for tiden er dyre og for små for bruk med store blenderåpninger som teleskoper.

Et meta-teleskop

Nå har forskere ved Pennsylvania State University og NASA-Goddard Space Flight Center kommet opp med en mye bedre måte å lage metalenses på. Prosessen deres kan skaleres opp for storskala produksjon og kan brukes til å lage metalenses med store blenderåpninger som er egnet for teleskopapplikasjoner.

Teamet brukte dyp-ultrafiolett (DUV) litografi, som er en teknikk som vanligvis brukes i halvlederindustrien. Prosessen deres innebar å mønstre toppen av en fire-tommers silikawafer. Deres 80 mm-diameter meta-linse ble delt inn i 16 deler som ble kombinert ved å eksponere de samme mønstrene på forskjellige kvadranter av waferen. Mønstersøm og waferrotasjon eliminerte behovet for en dyr enkelt stor maske som eksponerer hele overflaten.

Intensitetsprofil

Ytelsen til metalens ble karakterisert ved å måle intensitetsprofilen til fokuserte laserstråler over et bredt bølgelengdeområde som spenner over 1200–1600 nm. Testene viste at metalens kan fokusere lys tett nær diffraksjonsgrensen over hele området, til tross for at de er designet for å operere ved 1450 nm. Imidlertid varierte diffraktiv spredning brennvidden gjennom hele bølgelengdeområdet - en skadelig effekt kalt kromatisk aberrasjon.

Oppløsningsevnen til metalens ble testet ved å bruke den som en objektivlinse inne i et teleskop. Teamet brukte teleskopet til å lykkes med å avbilde ulike trekk ved månens overflate med en minste oppløsningsstørrelse på omtrent 80 km. Dette er den best rapporterte oppløsningskraften for denne typen metaller så langt.

Neste generasjons systemer

Hovedforsker Xingjie Ni ved Pennsylvania State University mener at metasurfaces kan være en game changer innen optikk, fordi deres enestående evne til lysmanipulering gjør dem til kraftige kandidater for neste generasjons optiske systemer. Dette, sier han, er grunnen til at teamet hans er dedikert til å fremme mulighetene til skalerbare, fabrikasjonsvennlige metasurfaces.

"Vi planlegger å forbedre designteknikkene våre for å oppnå fabrikasjonsimperfeksjonstolerante nanostrukturer. Dette vil tillate oss å bruke høyvolums produksjonsteknologi som fotolitografi for å lage metallenses i stor skala som fungerer i det synlige området og inkludere mer komplekse nanoantennedesign, for eksempel friformede nanoantenner, for å kompensere for kromatisk aberrasjon, sier han. Fysikkens verden.

Metaoverflater hjelper til med å forme laserstråler

Din Ping Tsai ved City University of Hong Kong var ikke involvert i forskningen, og han tror at dette arbeidet utvider arbeidsscenariene til metallener og vil inspirere til forskning på metallener med store åpninger. Han sier at DUV-litografi kan brukes til å oppnå høykapasitetsproduksjon av lavkostmetaller med rimelig oppløsning. Dette vil bringe komponentene inn i kommersialisering og gjøre dem til en del av vårt daglige liv i årene som kommer.

Tsai mener at den kromatiske aberrasjonen i Penn State metalens begrenser bruken til monokromatiske applikasjoner. Han påpeker også at utformingen av akromatisk metalinse med bredbånd for store områder fortsatt er en stor utfordring og etterspørres sterkt. I tillegg mener han at en stor maske er den foretrukne måten å lage metallenses på for å unngå sømfeil og forenkle fremstillingsprosessen.

Forskningen er beskrevet i ACS nanobokstaver.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/