Телескоп з великою апертурою metalens знімає Місяць

Важливий крок до практичного використання оптичних метаповерхонь зробили дослідники з США. Команда використовувала звичайний процес виробництва напівпровідників, щоб створити плоскі метали з великою апертурою. Його оптичні характеристики були продемонстровані за допомогою його використання як об’єктива в простому телескопі, спрямованому на Місяць. Телескоп досяг чудової роздільної здатності та створював чіткі зображення поверхні Місяця.

Телескопи використовувалися, щоб зазирнути у Всесвіт вже більше 400 років. На початку 1600-х років Галілео Галілей використовував телескоп для спостереження за супутниками Юпітера, а минулого року космічний телескоп Джеймса Вебба почав робити вражаючі зображення космосу.

Телескопи, якими сьогодні користуються професійні астрономи, як правило, великі та громіздкі, що часто накладає обмеження на те, як і де їх можна використовувати. Розмір цих інструментів є результатом їх великих апертур і часто складних багатоелементних оптичних систем, які необхідні для усунення аберацій і забезпечення бажаної високої продуктивності.

Інженерні наноструктури

Оптичні метаповерхні пропонують потенційний спосіб зробити телескопи та інші оптичні системи меншими та простішими. Це сконструйовані наноструктури, які можна розглядати як серію штучних оптичних антен (див. малюнок). Ці антени можуть маніпулювати світлом, змінюючи, наприклад, його амплітуду, фазу та поляризацію.

Ці метаповерхні можна сконструювати для фокусування світла, таким чином створюючи металеві лінзи, які можуть мати значні переваги перед звичайною оптикою. Наприклад, плоскі поверхні металевих оптик не мають сферичних аберацій, а металічні оптики є надтонкими та мають малу вагу порівняно зі звичайною оптикою.

Однак виробництво металенз все ще знаходиться в зародковому стані. Сучасні методи виготовлення базуються на системах сканування, таких як електронно-променева (електронно-променева) літографія та методи сфокусованого іонного променя (FIB). Вони повільні, дорогі та обмежують розмір металенсу лише кількома міліметрами. Це робить виробництво великого обсягу майже неможливим і означає, що металензи наразі дорогі та занадто малі для застосувань із великою апертурою, таких як телескопи.

Метателескоп

Тепер дослідники з Університету штату Пенсільванія та Центру космічних польотів імені Годдарда NASA винайшли набагато кращий спосіб виготовлення металів. Їхній процес можна розширити для великомасштабного виробництва та використовувати для створення металевих об’єктів із великими розмірами апертур, які підходять для застосування в телескопах.

Команда використовувала глибоко ультрафіолетову (DUV) літографію, яка є технікою, яка зазвичай використовується в напівпровідниковій промисловості. Їх процес передбачав нанесення візерунка на верхню частину чотиридюймової силікатної пластини. Їх мета-лінзу діаметром 80 мм розділили на 16 частин, які об’єднали, виставивши однакові візерунки на різних квадрантах пластини. Зшивання візерунком і обертання пластини позбавили потреби в одній дорогій великій масці, яка відкриває всю поверхню.

Профіль інтенсивності

Продуктивність metalens характеризувалася вимірюванням профілю інтенсивності сфокусованих лазерних променів у широкому діапазоні довжин хвиль, що охоплює 1200–1600 нм. Випробування показали, що метали можуть щільно фокусувати світло близько до межі дифракції в усьому діапазоні, незважаючи на те, що вони розроблені для роботи при 1450 нм. Однак дифракційна дисперсія змінювала фокусну відстань у всьому діапазоні довжин хвиль – цей шкідливий ефект називається хроматичною аберацією.

Роздільну здатність металенсу перевіряли за допомогою його використання як об’єктива всередині телескопа. Команда використовувала телескоп для успішного зображення різних елементів поверхні Місяця з мінімальним розміром роздільної здатності приблизно 80 км. Це найкраща роздільна здатність для цього типу металів.

Системи нового покоління

Провідний науковий співробітник Синцзе Ні в Університеті штату Пенсільванія вважає, що метаповерхні можуть змінити правила оптики, оскільки їхня безпрецедентна здатність маніпулювати світлом робить їх потужними кандидатами для оптичних систем наступного покоління. Ось чому, за його словами, його команда присвячена розвитку можливостей масштабованих метаповерхень, зручних у виготовленні.

«Ми плануємо вдосконалити наші методи проектування, щоб отримати наноструктури, стійкі до дефектів виготовлення. Це дозволить нам використовувати технологію масового виробництва, таку як фотолітографія, для створення великомасштабних металевих об’єктів, що працюють у видимому діапазоні, і включати більш складні конструкції наноантен, наприклад, наноантени вільної форми, щоб компенсувати хроматичну аберацію», — розповідає він. Світ фізики.

Метаповерхні допомагають формувати лазерні промені

Дін Пінг Цай в Міському університеті Гонконгу не брав участі в дослідженні, і він вважає, що ця робота розширює робочі сценарії металенз і надихне дослідження металенз з великими апертурами. Він каже, що літографію DUV можна використовувати для досягнення високої продуктивності виробництва недорогих металів із розумною роздільною здатністю. Це призведе до комерціалізації компонентів і зробить їх частиною нашого повсякденного життя в найближчі роки.

Цай вважає, що хроматична аберація в Penn State metalens обмежує його використання монохроматичними додатками. Він також зазначає, що розробка широкосмугових ахроматичних металінз великої площі все ще є великою проблемою та користується великим попитом. Крім того, він вважає, що велика маска є кращим способом виготовлення металевих об’єктів, щоб уникнути помилок зшивання та спростити процес виготовлення.

Дослідження описано в ACS Nano Letters.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/