Telescópio com metalens de grande abertura capta imagens da Lua

Um passo importante para o uso prático de metasuperfícies ópticas foi dado por pesquisadores nos Estados Unidos. A equipe usou um processo comum de fabricação de semicondutores para produzir uma grande abertura, metais planos. Seu desempenho óptico foi demonstrado usando-o como lente objetiva em um telescópio simples apontado para a Lua. O telescópio alcançou poder de resolução superior e produziu imagens nítidas da superfície da Lua.

Telescópios têm sido usados ​​para espiar o universo por mais de 400 anos. No início dos anos 1600, Galileo Galilei usou um telescópio para observar as luas de Júpiter e, no ano passado, o Telescópio Espacial James Webb começou a obter imagens espetaculares do cosmos.

Os telescópios usados ​​hoje por astrônomos profissionais tendem a ser grandes e volumosos, o que muitas vezes impõe limites sobre como e onde podem ser usados. O tamanho desses instrumentos é resultado de suas grandes aberturas e sistemas ópticos multielementos muitas vezes complicados, necessários para eliminar aberrações e fornecer o alto desempenho desejado.

Nanoestruturas projetadas

As metasuperfícies ópticas oferecem uma maneira potencial de tornar os telescópios e outros sistemas ópticos menores e mais simples. Estas são nanoestruturas projetadas que podem ser consideradas como uma série de antenas ópticas artificiais (veja a figura). Essas antenas podem manipular a luz, alterando, por exemplo, sua amplitude, fase e polarização.

Essas metasuperfícies podem ser projetadas para focalizar a luz, criando assim metalenses que podem oferecer vantagens significativas sobre a ótica convencional. Por exemplo, as superfícies planas dos metalenses são livres de aberrações esféricas e os metalenses são ultrafinos e de baixo peso quando comparados à ótica convencional.

No entanto, a produção dos metalenses ainda é incipiente. Os métodos de fabricação atuais são baseados em sistemas de varredura, como litografia de feixe de elétrons (e-beam) e técnicas de feixe de íons focados (FIB). São lentos, caros e restringem o tamanho dos metalenses a apenas alguns milímetros. Isso torna a produção em grande volume quase impossível e significa que os metalenses são atualmente caros e muito pequenos para aplicações de grande abertura, como telescópios.

Um meta-telescópio

Agora, pesquisadores da Pennsylvania State University e do NASA-Goddard Space Flight Center descobriram uma maneira muito melhor de produzir metalenses. Seu processo pode ser ampliado para produção em larga escala e pode ser usado para criar metalenses com grandes tamanhos de abertura que são adequados para aplicações de telescópio.

A equipe usou litografia ultravioleta profunda (DUV), que é uma técnica comumente usada na indústria de semicondutores. Seu processo envolvia padronizar o topo de uma bolacha de sílica de quatro polegadas. Sua lente de metal de 80 mm de diâmetro foi dividida em 16 partes que foram combinadas expondo os mesmos padrões em diferentes quadrantes da bolacha. A costura padrão e a rotação do wafer eliminaram a necessidade de uma única máscara grande e cara que expõe toda a superfície.

perfil de intensidade

O desempenho dos metalens foi caracterizado pela medição do perfil de intensidade de feixes de laser focados em uma ampla faixa de comprimento de onda abrangendo 1200-1600 nm. Os testes mostraram que os metalens podem focalizar a luz perto do limite de difração em toda a faixa, apesar de terem sido projetados para operar a 1450 nm. No entanto, a dispersão difrativa variou a distância focal ao longo da faixa de comprimento de onda – um efeito prejudicial chamado aberração cromática.

O poder de resolução do metalens foi testado usando-o como uma lente objetiva dentro de um telescópio. A equipe usou o telescópio para obter imagens com sucesso de vários recursos da superfície da Lua com um tamanho mínimo de resolução de aproximadamente 80 km. Este é o melhor poder de resolução relatado para este tipo de metaleno até agora.

Sistemas de última geração

Pesquisador principal XingjieNi da Universidade Estadual da Pensilvânia acredita que as metasuperfícies podem ser uma virada de jogo na óptica, porque sua capacidade sem precedentes de manipulação de luz os torna candidatos poderosos para sistemas ópticos de próxima geração. Segundo ele, é por isso que sua equipe se dedica a aprimorar os recursos de metasuperfícies escaláveis ​​e fáceis de fabricar.

“Planejamos melhorar nossas técnicas de design para obter nanoestruturas tolerantes a imperfeições de fabricação. Isso nos permitirá usar tecnologia de fabricação de alto volume, como fotolitografia, para fazer metalenses em grande escala trabalhando na faixa visível e incorporar designs de nanoantenas mais complexos, por exemplo, nanoantenas de forma livre, para compensar a aberração cromática”, diz ele Mundo da física.

Metasuperfícies ajudam a moldar feixes de laser

Din Ping Tsai na City University of Hong Kong não esteve envolvido na pesquisa e ele acha que este trabalho expande os cenários de trabalho dos metalenses e inspirará pesquisas sobre metalenses com grandes aberturas. Ele diz que a litografia DUV poderia ser usada para alcançar a fabricação de alto rendimento de metalenses de baixo custo com resolução razoável. Isso traria os componentes para a comercialização e os tornaria parte de nossa vida diária nos próximos anos.

Tsai acredita que a aberração cromática nos metais da Penn State limita seu uso a aplicações monocromáticas. Ele também aponta que o design de lentes metálicas acromáticas de banda larga de grande área ainda é um grande desafio e está em forte demanda. Além disso, ele acredita que uma máscara grande é a forma preferida de fazer metalenses para evitar erros de costura e simplificar o processo de fabricação.

A pesquisa é descrita em Nano Letras ACS.

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