Телескоп с металинзой большой апертуры сфотографировал Луну

Важный шаг к практическому использованию оптических метаповерхностей сделали исследователи в США. Команда использовала обычный процесс производства полупроводников для производства плоской металлической линзы с большой апертурой. Его оптические характеристики были продемонстрированы при использовании его в качестве объектива в простом телескопе, направленном на Луну. Телескоп достиг превосходной разрешающей способности и давал четкие изображения поверхности Луны.

Телескопы использовались для наблюдения за Вселенной более 400 лет. В начале 1600-х годов Галилео Галилей использовал телескоп для наблюдения за спутниками Юпитера, а в прошлом году космический телескоп Джеймса Уэбба начал делать впечатляющие снимки космоса.

Телескопы, используемые сегодня профессиональными астрономами, имеют тенденцию быть большими и громоздкими, что часто накладывает ограничения на то, как и где их можно использовать. Размер этих инструментов является результатом их большой апертуры и часто сложных многоэлементных оптических систем, которые необходимы для устранения аберраций и обеспечения желаемых высоких характеристик.

Инженерные наноструктуры

Оптические метаповерхности предлагают потенциальный способ сделать телескопы и другие оптические системы меньше и проще. Это инженерные наноструктуры, которые можно представить как серию искусственных оптических антенн (см. рисунок). Эти антенны могут манипулировать светом, изменяя, например, его амплитуду, фазу и поляризацию.

Эти метаповерхности могут быть сконструированы так, чтобы фокусировать свет, тем самым создавая металинзы, которые могут иметь значительные преимущества по сравнению с обычной оптикой. Например, плоские поверхности металинз лишены сферических аберраций, а металинзы сверхтонкие и легкие по сравнению с обычной оптикой.

Однако производство металинз все еще находится в зачаточном состоянии. Современные методы изготовления основаны на сканирующих системах, таких как электронно-лучевая (e-beam) литография и методы сфокусированного ионного пучка (FIB). Они медленные, дорогие и ограничивают размер металинз всего несколькими миллиметрами. Это делает крупносерийное производство почти невозможным и означает, что металинзы в настоящее время дороги и слишком малы для приложений с большой апертурой, таких как телескопы.

Мета-телескоп

Теперь исследователи из Пенсильванского государственного университета и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА придумали гораздо лучший способ изготовления металинз. Их процесс можно масштабировать для крупномасштабного производства и использовать для создания металинз с большими размерами апертуры, которые подходят для применения в телескопах.

Команда использовала литографию в глубоком ультрафиолете (DUV), которая широко используется в полупроводниковой промышленности. Их процесс включал в себя создание рисунка на верхней части четырехдюймовой кварцевой пластины. Их металинза диаметром 80 мм была разделена на 16 частей, которые были объединены путем экспонирования одинаковых узоров на разных квадрантах пластины. Сшивание шаблона и вращение пластины устранили необходимость в дорогостоящей одной большой маске, открывающей всю поверхность.

Профиль интенсивности

Характеристики металинзы охарактеризованы путем измерения профиля интенсивности сфокусированных лазерных лучей в широком диапазоне длин волн, охватывающем 1200–1600 нм. Испытания показали, что металинза может плотно сфокусировать свет, близкий к дифракционному пределу, во всем диапазоне, несмотря на то, что она предназначена для работы на длине волны 1450 нм. Однако дифракционная дисперсия изменяет фокусное расстояние во всем диапазоне длин волн — пагубный эффект, называемый хроматической аберрацией.

Разрешающая способность металинзы была проверена при использовании ее в качестве объектива внутри телескопа. Команда использовала телескоп, чтобы успешно сфотографировать различные особенности поверхности Луны с минимальным размером элемента разрешения около 80 км. На сегодняшний день это лучшая разрешающая способность для этого типа металинз.

Системы следующего поколения

Ведущий исследователь Синцзе Ни из Университета штата Пенсильвания считает, что метаповерхности могут изменить правила игры в оптике, потому что их беспрецедентная способность манипулировать светом делает их важными кандидатами для оптических систем следующего поколения. По его словам, именно поэтому его команда занимается расширением возможностей масштабируемых и удобных в производстве метаповерхностей.

«Мы планируем улучшить наши методы проектирования, чтобы получить наноструктуры, устойчивые к дефектам изготовления. Это позволит нам использовать технологии массового производства, такие как фотолитография, для создания крупномасштабных металинз, работающих в видимом диапазоне, и включать более сложные конструкции наноантенн, например, наноантенны произвольной формы, для компенсации хроматической аберрации», — говорит он. Мир физики.

Метаповерхности помогают формировать лазерные лучи

Дин Пинг Цай в Городском университете Гонконга не участвовал в исследованиях и считает, что эта работа расширяет рабочие сценарии металинз и вдохновит на исследования металинз с большой апертурой. Он говорит, что литографию DUV можно использовать для достижения высокой производительности при производстве недорогих металинз с приемлемым разрешением. Это приведет к коммерциализации компонентов и сделает их частью нашей повседневной жизни в ближайшие годы.

Цай считает, что хроматическая аберрация в металинзе Penn State ограничивает ее использование монохромными приложениями. Он также отмечает, что разработка широкополосных ахроматических металинз большой площади по-прежнему представляет собой серьезную проблему и пользуется большим спросом. Кроме того, он считает, что большая маска является предпочтительным способом изготовления металинз, чтобы избежать ошибок при сшивании и упростить процесс изготовления.

Исследование описано в Буквы ACS Nano.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/