Teleskop z veliko aperturo metalens slika Luno

Pomemben korak k praktični uporabi optičnih metapovršin so naredili raziskovalci v ZDA. Ekipa je uporabila običajen postopek izdelave polprevodnikov za izdelavo ploščatega metala z veliko odprtino. Njegova optična zmogljivost je bila dokazana z uporabo kot objektiva v preprostem teleskopu, ki je bil usmerjen v Luno. Teleskop je dosegel vrhunsko ločljivost in ustvaril jasne slike površja Lune.

Teleskope uporabljajo za vpogled v vesolje že več kot 400 let. V zgodnjih 1600. stoletjih je Galileo Galilei s teleskopom opazoval Jupitrove lune, lani pa je vesoljski teleskop Jamesa Webba začel zajemati spektakularne slike vesolja.

Teleskopi, ki jih danes uporabljajo poklicni astronomi, so ponavadi veliki in zajetni, kar pogosto omejuje, kako in kje jih je mogoče uporabiti. Velikost teh instrumentov je posledica njihovih velikih odprtin in pogosto zapletenih večelementnih optičnih sistemov, ki so potrebni za odpravo aberacij in zagotavljanje želene visoke zmogljivosti.

Konstruirane nanostrukture

Optične metapovršine ponujajo možen način za zmanjšanje in poenostavitev teleskopov in drugih optičnih sistemov. To so izdelane nanostrukture, ki si jih lahko predstavljamo kot vrsto umetnih optičnih anten (glej sliko). Te antene lahko manipulirajo s svetlobo, spreminjajo na primer njeno amplitudo, fazo in polarizacijo.

Te metapovršine je mogoče oblikovati tako, da fokusirajo svetlobo in tako ustvarijo kovine, ki lahko nudijo pomembne prednosti pred običajno optiko. Na primer, ravne površine metalenz so brez sferičnih aberacij, metalenze pa so ultra tanke in lahke v primerjavi z običajno optiko.

Vendar pa je proizvodnja metalencev še v povojih. Trenutne metode izdelave temeljijo na sistemih skeniranja, kot sta litografija z elektronskim žarkom (e-žarkom) in tehnike fokusiranega ionskega žarka (FIB). Ti so počasni, dragi in omejujejo velikost metalencev na le nekaj milimetrov. Zaradi tega je proizvodnja velikega obsega skoraj nemogoča in pomeni, da so metalci trenutno dragi in premajhni za aplikacije z veliko zaslonko, kot so teleskopi.

Meta-teleskop

Zdaj so raziskovalci na Pennsylvania State University in NASA-Goddard Space Flight Center prišli do veliko boljšega načina za izdelavo metalenz. Njihov postopek je mogoče povečati za obsežno proizvodnjo in ga je mogoče uporabiti za ustvarjanje metalenz z velikimi velikostmi zaslonke, ki so primerne za uporabo v teleskopu.

Ekipa je uporabila globoko ultravijolično (DUV) litografijo, ki je tehnika, ki se običajno uporablja v industriji polprevodnikov. Njihov postopek je vključeval vzorčenje vrha 80-palčne kremenčeve rezine. Njihova metalna leča s premerom 16 mm je bila razdeljena na XNUMX delov, ki so bili združeni z izpostavitvijo istih vzorcev na različnih kvadrantih rezine. Šivanje vzorcev in vrtenje rezin sta odpravila potrebo po dragi enojni veliki maski, ki razkrije celotno površino.

Profil intenzivnosti

Učinkovitost metalensa je bila označena z merjenjem profila intenzivnosti fokusiranih laserskih žarkov v širokem območju valovnih dolžin, ki se razteza od 1200 do 1600 nm. Preizkusi so pokazali, da lahko kovine natančno fokusirajo svetlobo blizu meje uklona v celotnem območju, kljub temu, da so zasnovane za delovanje pri 1450 nm. Vendar pa je difrakcijska disperzija spremenila goriščno razdaljo v celotnem območju valovnih dolžin – škodljiv učinek, imenovan kromatska aberacija.

Ločljivost metalensa je bila preizkušena z uporabo leče objektiva v teleskopu. Ekipa je uporabila teleskop za uspešno slikanje različnih značilnosti Luninega površja z najmanjšo ločljivostjo velikosti približno 80 km. To je najboljša poročana moč ločljivosti za to vrsto metalenov doslej.

Sistemi naslednje generacije

Vodilni raziskovalec Xingjie Ni na državni univerzi Pennsylvania verjame, da lahko metapovršine spremenijo igro v optiki, saj so zaradi svoje zmožnosti za manipulacijo s svetlobo brez primere močni kandidati za optične sisteme naslednje generacije. Pravi, da je to razlog, zakaj je njegova ekipa predana napredku zmogljivosti razširljivih, izdelavi prijaznih metapovršin.

»Načrtujemo izboljšanje naših tehnik načrtovanja, da bi dosegli nanostrukture, odporne na nepopolnosti izdelave. To nam bo omogočilo uporabo proizvodne tehnologije velikega obsega, kot je fotolitografija, da bi izdelali velike metalenze, ki delujejo v vidnem območju, in vključili bolj zapletene zasnove nanoanten, na primer prosto oblikovane nanoantene, za kompenzacijo kromatične aberacije,« pravi. Svet fizike.

Metapovršine pomagajo oblikovati laserske žarke

Din Ping Tsai na Mestni univerzi v Hongkongu ni bil vključen v raziskavo in meni, da to delo razširja delovne scenarije metalenz in bo navdihnilo raziskave na metalenzah z velikimi odprtinami. Pravi, da bi lahko litografijo DUV uporabili za doseganje visoko zmogljive proizvodnje poceni metalencev z razumno ločljivostjo. S tem bi sestavne dele začeli komercializirati in v prihodnjih letih postali del našega vsakdanjega življenja.

Tsai verjame, da kromatska aberacija v metalensu Penn State omejuje njegovo uporabo na monokromatske aplikacije. Poudarja tudi, da je oblikovanje širokopasovne širokopasovne akromatične meta-leče z veliko površino še vedno velik izziv in je veliko povpraševanje. Poleg tega verjame, da je velika maska ​​najprimernejši način za izdelavo metalencev, da bi se izognili napakam pri šivanju in poenostavili postopek izdelave.

Raziskava je opisana v Nano črke ACS.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/