Teleskop med metalens med stor öppning avbildar månen

Ett viktigt steg mot praktisk användning av optiska metasytor har tagits av forskare i USA. Teamet använde en vanlig halvledartillverkningsprocess för att producera en stor öppning, platta metaller. Dess optiska prestanda demonstrerades genom att använda den som objektivlins i ett enkelt teleskop som var riktat mot månen. Teleskopet uppnådde överlägsen upplösningsförmåga och producerade tydliga bilder av månens yta.

Teleskop har använts för att titta ut i universum i mer än 400 år. I början av 1600-talet använde Galileo Galilei ett teleskop för att observera Jupiters månar och förra året började rymdteleskopet James Webb ta spektakulära bilder av kosmos.

De teleskop som används idag av professionella astronomer tenderar att vara stora och skrymmande, vilket ofta sätter gränser för hur och var de kan användas. Storleken på dessa instrument är ett resultat av deras stora öppningar och ofta komplicerade optiska system med flera element som är nödvändiga för att eliminera aberrationer och ge önskad hög prestanda.

Konstruerade nanostrukturer

Optiska metasytor erbjuder ett potentiellt sätt att göra teleskop och andra optiska system mindre och enklare. Dessa är konstruerade nanostrukturer som kan ses som en serie konstgjorda optiska antenner (se figur). Dessa antenner kan manipulera ljus, ändra till exempel dess amplitud, fas och polarisation.

Dessa metasytor kan konstrueras för att fokusera ljus och därigenom skapa metallener som kan erbjuda betydande fördelar jämfört med konventionell optik. Till exempel är metallens plana ytor fria från sfäriska aberrationer och metallener är ultratunna och har låg vikt jämfört med konventionell optik.

Framställningen av metalenses är dock fortfarande i sin linda. Nuvarande tillverkningsmetoder är baserade på avsökningssystem såsom elektronstrålelitografi (e-beam) och tekniker för fokuserad jonstråle (FIB). Dessa är långsamma, dyra och begränsar storleken på metallen till bara några millimeter. Detta gör produktion av stora volymer nästan omöjlig och gör att metalenser för närvarande är dyra och för små för applikationer med stor bländare som teleskop.

Ett meta-teleskop

Nu har forskare vid Pennsylvania State University och NASA-Goddard Space Flight Center kommit på ett mycket bättre sätt att göra metalenses. Deras process kan skalas upp för storskalig produktion och kan användas för att skapa metalenses med stora bländarstorlekar som är lämpliga för teleskopapplikationer.

Teamet använde djup-ultraviolett (DUV) litografi, vilket är en teknik som vanligtvis används inom halvledarindustrin. Deras process involverade mönstring av toppen av en fyra-tums kiselskiva. Deras 80 mm-diameter meta-lins var uppdelad i 16 delar som kombinerades genom att exponera samma mönster på olika kvadranter av wafern. Mönstersömmar och waferrotation eliminerade behovet av en dyr enda stor mask som exponerar hela ytan.

Intensitetsprofil

Metallens prestanda kännetecknades av att mäta intensitetsprofilen för fokuserade laserstrålar över ett brett våglängdsområde som spänner över 1200–1600 nm. Testerna visade att metalens kan fokusera ljus nära diffraktionsgränsen över hela området, trots att de är designade för att arbeta vid 1450 nm. Emellertid varierade diffraktiv dispersion brännvidden genom hela våglängdsområdet - en skadlig effekt som kallas kromatisk aberration.

Metallens upplösningsförmåga testades genom att använda den som en objektivlins inuti ett teleskop. Teamet använde teleskopet för att framgångsrikt avbilda olika särdrag av månens yta med en minsta upplösningsstorlek på cirka 80 km. Detta är den bäst rapporterade upplösningsförmågan för denna typ av metaller hittills.

Nästa generations system

Ledande forskare Xingjie Ni vid Pennsylvania State University tror att metasytor kan vara en spelförändring inom optik, eftersom deras oöverträffade förmåga till ljusmanipulation gör dem till kraftfulla kandidater för nästa generations optiska system. Detta, säger han, är anledningen till att hans team är dedikerade till att utveckla kapaciteten hos skalbara, tillverkningsvänliga metasytor.

"Vi planerar att förbättra våra designtekniker för att uppnå tillverkningsimperfektionstoleranta nanostrukturer. Detta kommer att göra det möjligt för oss att använda högvolymtillverkningsteknologi som fotolitografi för att göra storskaliga metaller som arbetar i det synliga området och införliva mer komplexa nanoantenndesigner, till exempel friformsformade nanoantenner, för att kompensera för kromatisk aberration, säger han. Fysikvärlden.

Metasytor hjälper till att forma laserstrålar

Din Ping Tsai vid City University of Hong Kong var inte inblandad i forskningen och han tror att detta arbete utökar arbetsscenarierna för metallener och kommer att inspirera till forskning om metallener med stora öppningar. Han säger att DUV-litografi skulle kunna användas för att uppnå hög genomströmningstillverkning av lågkostnadsmetallen med rimlig upplösning. Detta skulle föra in komponenterna i kommersialisering och göra dem till en del av vårt dagliga liv under de kommande åren.

Tsai tror att den kromatiska aberrationen i Penn State metalens begränsar dess användning till monokromatiska tillämpningar. Han påpekar också att utformningen av akromatisk metalins för bredband med stor yta fortfarande är en stor utmaning och efterfrågas starkt. Dessutom tror han att en stor mask är det föredragna sättet att göra metallenses för att undvika sömfel och för att förenkla tillverkningsprocessen.

Forskningen beskrivs i ACS nanobokstäver.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/