กล้องโทรทรรศน์ที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่แสดงภาพดวงจันทร์

นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาได้ดำเนินการขั้นตอนสำคัญสู่การใช้ metasurfaces แบบออปติคัลในทางปฏิบัติ ทีมงานใช้กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปเพื่อผลิตเลนส์โลหะแบนที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพทางแสงของมันแสดงให้เห็นโดยการใช้มันเป็นเลนส์ใกล้วัตถุในกล้องโทรทรรศน์ทั่วไปที่เล็งไปที่ดวงจันทร์ กล้องโทรทรรศน์มีกำลังแยกภาพที่เหนือกว่าและสร้างภาพที่ชัดเจนของพื้นผิวดวงจันทร์

กล้องโทรทรรศน์ถูกนำมาใช้เพื่อส่องดูจักรวาลมานานกว่า 400 ปีแล้ว ในช่วงต้นทศวรรษ 1600 กาลิเลโอ กาลิเลอิใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อสังเกตดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี และเมื่อปีที่แล้ว กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ได้เริ่มถ่ายภาพจักรวาลอันน่าตื่นตาตื่นใจ

กล้องโทรทรรศน์ที่นักดาราศาสตร์มืออาชีพใช้ในปัจจุบันมักจะมีขนาดใหญ่และเทอะทะ ซึ่งมักจะทำให้มีข้อจำกัดว่าจะใช้อย่างไรและที่ไหน ขนาดของเครื่องมือเหล่านี้เป็นผลมาจากรูรับแสงขนาดใหญ่และระบบออปติคัลแบบหลายองค์ประกอบที่มักจะซับซ้อนซึ่งจำเป็นต่อการกำจัดความคลาดเคลื่อนและเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงตามที่ต้องการ

โครงสร้างนาโนวิศวกรรม

metasurfaces แบบออปติคัลนำเสนอวิธีที่เป็นไปได้ในการทำให้กล้องโทรทรรศน์และระบบออปติกอื่นๆ มีขนาดเล็กลงและเรียบง่ายขึ้น เหล่านี้คือโครงสร้างนาโนเชิงวิศวกรรมที่สามารถมองได้ว่าเป็นชุดของเสาอากาศออปติกเทียม (ดูรูป) เสาอากาศเหล่านี้สามารถควบคุมแสง เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น แอมพลิจูด เฟส และโพลาไรเซชัน

metasurfaces เหล่านี้สามารถออกแบบให้เน้นแสง ดังนั้นจึงสร้างโลหะที่สามารถนำเสนอข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือเลนส์ทั่วไป ตัวอย่างเช่น พื้นผิวเรียบของเมทัลเลนส์ไม่มีความคลาดเคลื่อนทรงกลม และเมทัลเลนส์บางเฉียบและมีน้ำหนักน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับเลนส์ทั่วไป

อย่างไรก็ตาม การผลิตเมทัลเลนส์ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น วิธีการประดิษฐ์ในปัจจุบันขึ้นอยู่กับระบบการสแกน เช่น การพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (e-beam) และเทคนิคลำแสงไอออนแบบโฟกัส (FIB) สิ่งเหล่านี้ช้า มีราคาแพง และจำกัดขนาดของโลหะให้เหลือเพียงไม่กี่มิลลิเมตร สิ่งนี้ทำให้การผลิตในปริมาณมากๆ แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย และนั่นหมายความว่าปัจจุบันโลหะเลนส์มีราคาแพงและมีขนาดเล็กเกินไปสำหรับการใช้งานที่มีรูรับแสงกว้าง เช่น กล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์เมตา

ตอนนี้นักวิจัยจาก Pennsylvania State University และ NASA-Goddard Space Flight Center ได้คิดค้นวิธีการผลิตโลหะที่ดีกว่ามาก กระบวนการของพวกเขาสามารถเพิ่มขนาดสำหรับการผลิตขนาดใหญ่และสามารถใช้เพื่อสร้างโลหะที่มีขนาดรูรับแสงกว้างซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานกล้องโทรทรรศน์

ทีมใช้การพิมพ์หินแบบอัลตราไวโอเลตลึก (DUV) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ กระบวนการของพวกเขาเกี่ยวข้องกับการสร้างลวดลายบนแผ่นซิลิกาเวเฟอร์ขนาดสี่นิ้ว เลนส์เมตาเส้นผ่านศูนย์กลาง 80 มม. ของพวกเขาถูกแบ่งออกเป็น 16 ส่วนซึ่งรวมกันโดยการเปิดเผยรูปแบบเดียวกันในควอแดรนต์ต่างๆ ของแผ่นเวเฟอร์ การเย็บแพทเทิร์นและการหมุนแผ่นเวเฟอร์ช่วยลดความจำเป็นในการใช้หน้ากากขนาดใหญ่ชิ้นเดียวราคาแพงที่เผยให้เห็นพื้นผิวทั้งหมด

โปรไฟล์ความเข้ม

ประสิทธิภาพของโลหะนั้นมีลักษณะเฉพาะโดยการวัดโปรไฟล์ความเข้มของลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสในช่วงความยาวคลื่นกว้างตั้งแต่ 1200–1600 นาโนเมตร การทดสอบแสดงให้เห็นว่าเลนส์โลหะสามารถโฟกัสแสงได้แน่นใกล้กับขีดจำกัดการเลี้ยวเบนตลอดทั้งช่วง แม้ว่าจะถูกออกแบบให้ทำงานที่ 1450 นาโนเมตรก็ตาม อย่างไรก็ตาม การกระจายตัวของการเลี้ยวเบนทำให้ความยาวโฟกัสแตกต่างกันไปตลอดช่วงความยาวคลื่น ซึ่งเป็นผลเสียที่เรียกว่าความคลาดเคลื่อนของสี

กำลังแยกของโลหะถูกทดสอบโดยใช้เป็นเลนส์ใกล้วัตถุภายในกล้องโทรทรรศน์ ทีมงานใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อถ่ายภาพลักษณะต่างๆ ของพื้นผิวดวงจันทร์ได้สำเร็จ โดยมีขนาดคุณลักษณะที่ละเอียดขั้นต่ำประมาณ 80 กม. นี่คือกำลังการแยกรายละเอียดที่มีการรายงานดีที่สุดสำหรับโลหะประเภทนี้

ระบบยุคหน้า

หัวหน้านักวิจัย ซิงเจียหนี่ ที่ Pennsylvania State University เชื่อว่า metasurfaces สามารถเป็นตัวเปลี่ยนเกมในด้านออพติคได้ เนื่องจากความสามารถที่ไม่เคยมีมาก่อนในการจัดการแสงทำให้พวกมันเป็นตัวเลือกที่ทรงพลังสำหรับระบบออปติคัลรุ่นต่อไป เขากล่าวว่านี่คือสาเหตุที่ทีมของเขาทุ่มเทเพื่อพัฒนาขีดความสามารถของ metasurfaces ที่ปรับขนาดได้และเป็นมิตรกับการผลิต

“เราวางแผนที่จะปรับปรุงเทคนิคการออกแบบของเราเพื่อให้ได้โครงสร้างนาโนที่ทนต่อความไม่สมบูรณ์ของการผลิต สิ่งนี้จะช่วยให้เราสามารถใช้เทคโนโลยีการผลิตปริมาณมาก เช่น การถ่ายภาพด้วยแสงเพื่อสร้างโลหะขนาดใหญ่ที่ทำงานในช่วงที่มองเห็นได้ และรวมเอาการออกแบบเสาอากาศนาโนที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น เสาอากาศนาโนรูปทรงอิสระ เพื่อชดเชยความคลาดเคลื่อนของสี” เขากล่าว โลกฟิสิกส์.

Metasurfaces ช่วยสร้างลำแสงเลเซอร์

ติ่น ผิง ไซ ที่มหาวิทยาลัย City University of Hong Kong ไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัย และเขาคิดว่างานนี้ขยายขอบเขตสถานการณ์การทำงานของโลหะและจะสร้างแรงบันดาลใจในการวิจัยเกี่ยวกับโลหะที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่ เขากล่าวว่าการพิมพ์หิน DUV สามารถใช้เพื่อให้ได้ปริมาณการผลิตสูงของโลหะต้นทุนต่ำด้วยความละเอียดที่เหมาะสม สิ่งนี้จะนำส่วนประกอบไปสู่เชิงพาณิชย์และทำให้เป็นส่วนหนึ่งของชีวิตประจำวันของเราในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

Tsai เชื่อว่าความคลาดเคลื่อนของสีในเลนส์โลหะ Penn State จำกัดการใช้งานไว้เฉพาะการใช้งานแบบสีเดียว นอกจากนี้ เขายังชี้ให้เห็นว่าการออกแบบเลนส์เมตาอะโครมาติกแบบบรอดแบนด์ในพื้นที่ขนาดใหญ่ยังคงเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่และเป็นที่ต้องการอย่างมาก นอกจากนี้ เขาเชื่อว่าหน้ากากขนาดใหญ่เป็นวิธีที่นิยมใช้ในการผลิตโลหะ เพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการเย็บและเพื่อลดความซับซ้อนของกระบวนการผลิต

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ตัวอักษร ACS นาโน.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/