Teleskop z metalową aperturą o dużej aperturze obrazuje Księżyc

Ważny krok w kierunku praktycznego wykorzystania metapowierzchni optycznych zrobili naukowcy z USA. Zespół wykorzystał wspólny proces produkcji półprzewodników do wytworzenia płaskich metali o dużej aperturze. Jego parametry optyczne zostały zademonstrowane przy użyciu go jako soczewki obiektywu w prostym teleskopie wycelowanym w Księżyc. Teleskop osiągnął doskonałą zdolność rozdzielczą i generował wyraźne obrazy powierzchni Księżyca.

Teleskopy są używane do zaglądania we wszechświat od ponad 400 lat. Na początku XVII wieku Galileo Galilei użył teleskopu do obserwacji księżyców Jowisza, aw zeszłym roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zaczął wykonywać spektakularne zdjęcia kosmosu.

Teleskopy używane obecnie przez profesjonalnych astronomów są zwykle duże i nieporęczne, co często ogranicza sposób i miejsce ich użycia. Rozmiary tych instrumentów wynikają z ich dużych apertur i często skomplikowanych wieloelementowych układów optycznych, które są niezbędne do wyeliminowania aberracji i zapewnienia pożądanej wysokiej wydajności.

Zaprojektowane nanostruktury

Metapowierzchnie optyczne oferują potencjalny sposób na zmniejszenie i uproszczenie teleskopów i innych systemów optycznych. Są to zaprojektowane nanostruktury, które można traktować jako serię sztucznych anten optycznych (patrz rysunek). Anteny te mogą manipulować światłem, zmieniając na przykład jego amplitudę, fazę i polaryzację.

Te metapowierzchnie można zaprojektować tak, aby skupiały światło, tworząc w ten sposób metalenses, które mogą oferować znaczące korzyści w porównaniu z konwencjonalną optyką. Na przykład płaskie powierzchnie metalenses są wolne od aberracji sferycznych, a metalenses są ultracienkie i lekkie w porównaniu z konwencjonalną optyką.

Jednak produkcja metali jest wciąż w powijakach. Obecne metody wytwarzania opierają się na systemach skanowania, takich jak litografia wiązką elektronów (e-beam) i techniki zogniskowanej wiązki jonów (FIB). Są one powolne, drogie i ograniczają rozmiar metalowych końcówek do zaledwie kilku milimetrów. To sprawia, że ​​produkcja na dużą skalę jest prawie niemożliwa i oznacza, że ​​metalenses są obecnie drogie i za małe do zastosowań o dużej aperturze, takich jak teleskopy.

Meta-teleskop

Teraz naukowcy z Pennsylvania State University i NASA-Goddard Space Flight Center wymyślili znacznie lepszy sposób wytwarzania metalenses. Ich proces można zwiększyć do produkcji na dużą skalę i można go wykorzystać do tworzenia metalenses o dużych rozmiarach apertury, które są odpowiednie do zastosowań teleskopowych.

Zespół wykorzystał litografię w głębokim ultrafiolecie (DUV), która jest techniką powszechnie stosowaną w przemyśle półprzewodnikowym. Ich proces polegał na ukształtowaniu wierzchu czterocalowej płytki krzemionkowej. Ich metalowa soczewka o średnicy 80 mm została podzielona na 16 części, które zostały połączone poprzez wyeksponowanie tych samych wzorów na różnych ćwiartkach płytki. Zszywanie wzorów i obracanie płytek wyeliminowało potrzebę stosowania drogiej pojedynczej dużej maski, która odsłania całą powierzchnię.

Profil intensywności

Wydajność metali została scharakteryzowana poprzez pomiar profilu intensywności zogniskowanych wiązek laserowych w szerokim zakresie długości fal obejmującym 1200–1600 nm. Testy wykazały, że metale mogą ściśle skupiać światło blisko granicy dyfrakcji w całym zakresie, mimo że zostały zaprojektowane do pracy przy 1450 nm. Jednak dyspersja dyfrakcyjna zmieniała ogniskową w całym zakresie długości fal – szkodliwy efekt zwany aberracją chromatyczną.

Zdolność rozdzielczą metali została przetestowana przy użyciu ich jako soczewki obiektywu wewnątrz teleskopu. Zespół użył teleskopu do pomyślnego zobrazowania różnych cech powierzchni Księżyca przy minimalnym rozmiarze elementu rozdzielczego wynoszącym około 80 km. Jest to jak dotąd najlepiej opisana zdolność rozdzielcza tego typu metali.

Systemy nowej generacji

Główny badacz Xingjie Ni z Pennsylvania State University uważa, że ​​metapowierzchnie mogą zmienić reguły gry w optyce, ponieważ ich bezprecedensowa zdolność do manipulowania światłem czyni z nich potężnych kandydatów do systemów optycznych nowej generacji. Mówi, że właśnie dlatego jego zespół poświęca się rozwijaniu możliwości skalowalnych, przyjaznych dla produkcji metapowierzchni.

„Planujemy udoskonalić nasze techniki projektowania, aby uzyskać nanostruktury odporne na niedoskonałości produkcyjne. Umożliwi nam to wykorzystanie technologii produkcji na dużą skalę, takiej jak fotolitografia, do tworzenia wielkoskalowych metalenses pracujących w zakresie widzialnym i włączenie bardziej złożonych projektów nanoanten, na przykład nanoanten o dowolnym kształcie, w celu skompensowania aberracji chromatycznej” – mówi. Świat Fizyki.

Metapowierzchnie pomagają kształtować wiązki laserowe

Din Ping Tsai z City University of Hong Kong nie był zaangażowany w badania i uważa, że ​​ta praca poszerza scenariusze pracy metalenses i zainspiruje badania metalenses z dużymi aperturami. Mówi, że litografia DUV może być wykorzystana do osiągnięcia wysokiej przepustowości produkcji tanich metalenses z rozsądną rozdzielczością. Doprowadziłoby to do komercjalizacji komponentów i uczynienia z nich części naszego codziennego życia w nadchodzących latach.

Tsai uważa, że ​​aberracja chromatyczna w metalach Penn State ogranicza ich użycie do zastosowań monochromatycznych. Zaznacza również, że projektowanie meta-obiektywów achromatycznych szerokopasmowych o dużej powierzchni nadal stanowi duże wyzwanie i jest na nie duże zapotrzebowanie. Ponadto uważa, że ​​duża maska ​​​​jest preferowanym sposobem wykonywania metalenses, aby uniknąć błędów szycia i uprościć proces produkcji.

Badania opisano w Litery ACS Nano.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/