Kính viễn vọng với ống kính kim loại khẩu độ lớn chụp ảnh Mặt trăng

Các nhà nghiên cứu ở Hoa Kỳ đã thực hiện một bước quan trọng đối với việc sử dụng thực tế các siêu bề mặt quang học. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một quy trình sản xuất chất bán dẫn phổ biến để tạo ra các kim loại phẳng, khẩu độ lớn. Hiệu suất quang học của nó đã được chứng minh bằng cách sử dụng nó làm vật kính trong một kính viễn vọng đơn giản nhắm vào Mặt trăng. Kính thiên văn đã đạt được khả năng phân giải vượt trội và tạo ra những hình ảnh rõ ràng về bề mặt của Mặt trăng.

Kính viễn vọng đã được sử dụng để quan sát vũ trụ trong hơn 400 năm. Vào đầu những năm 1600, Galileo Galilei đã sử dụng kính viễn vọng để quan sát các mặt trăng của Sao Mộc và năm ngoái, Kính viễn vọng Không gian James Webb đã bắt đầu chụp những bức ảnh ngoạn mục về vũ trụ.

Các kính thiên văn được các nhà thiên văn chuyên nghiệp sử dụng ngày nay có xu hướng lớn và cồng kềnh, điều này thường đặt ra các giới hạn về cách thức và địa điểm sử dụng chúng. Kích thước của những thiết bị này là kết quả của khẩu độ lớn và hệ thống quang học đa phần tử thường phức tạp cần thiết để loại bỏ quang sai và mang lại hiệu suất cao như mong muốn.

cấu trúc nano được thiết kế

Siêu bề mặt quang học cung cấp một cách tiềm năng để làm cho kính thiên văn và các hệ thống quang học khác nhỏ hơn và đơn giản hơn. Đây là những cấu trúc nano đã được thiết kế kỹ thuật có thể được coi như một loạt ăng-ten quang học nhân tạo (xem hình). Các ăng-ten này có thể điều khiển ánh sáng, chẳng hạn như thay đổi biên độ, pha và phân cực của nó.

Những siêu bề mặt này có thể được thiết kế để tập trung ánh sáng, từ đó tạo ra các lớp phủ kim loại có thể mang lại những lợi thế đáng kể so với quang học thông thường. Ví dụ, các bề mặt phẳng của thấu kính kim loại không có quang sai hình cầu và thấu kính kim loại siêu mỏng và có trọng lượng thấp khi so sánh với quang học thông thường.

Tuy nhiên, việc sản xuất kim loại vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Các phương pháp chế tạo hiện tại dựa trên các hệ thống quét như kỹ thuật in khắc chùm tia điện tử (chùm tia điện tử) và kỹ thuật chùm tia ion hội tụ (FIB). Chúng chậm, đắt tiền và hạn chế kích thước của kim loại chỉ ở mức vài mm. Điều này làm cho việc sản xuất số lượng lớn gần như là không thể và có nghĩa là các thấu kính kim loại hiện đang đắt và quá nhỏ đối với các ứng dụng khẩu độ lớn như kính thiên văn.

Kính thiên văn meta

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Pennsylvania và Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ NASA-Goddard đã nghĩ ra một cách tốt hơn nhiều để tạo ra chất liệu kim loại. Quy trình của họ có thể được mở rộng quy mô để sản xuất quy mô lớn và có thể được sử dụng để tạo ra các màng kim loại có kích thước khẩu độ lớn phù hợp cho các ứng dụng kính thiên văn.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật in khắc bằng tia cực tím sâu (DUV), một kỹ thuật thường được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn. Quá trình của họ liên quan đến việc tạo khuôn trên cùng của một tấm wafer silica 80 inch. Thấu kính meta đường kính 16 mm của họ được chia thành XNUMX phần được kết hợp bằng cách phơi bày các mẫu giống nhau trên các góc phần tư khác nhau của tấm wafer. Khâu mẫu và xoay wafer đã loại bỏ sự cần thiết của một mặt nạ lớn duy nhất đắt tiền để lộ toàn bộ bề mặt.

hồ sơ cường độ

Hiệu suất của metalens được đặc trưng bằng cách đo cấu hình cường độ của các chùm tia laze hội tụ trên dải bước sóng rộng trải dài 1200–1600 nm. Các thử nghiệm cho thấy rằng các metalens có thể hội tụ chặt chẽ ánh sáng gần với giới hạn nhiễu xạ trên toàn bộ phạm vi, mặc dù được thiết kế để hoạt động ở bước sóng 1450 nm. Tuy nhiên, tán sắc nhiễu xạ đã làm thay đổi độ dài tiêu cự trong suốt dải bước sóng – một hiệu ứng bất lợi được gọi là quang sai màu.

Khả năng phân giải của metalens đã được kiểm tra bằng cách sử dụng nó như một vật kính bên trong kính thiên văn. Nhóm đã sử dụng kính viễn vọng để chụp ảnh thành công các đặc điểm khác nhau trên bề mặt Mặt trăng với kích thước đặc điểm phân giải tối thiểu khoảng 80 km. Đây là khả năng phân giải được báo cáo tốt nhất cho loại kim loại này cho đến nay.

Hệ thống thế hệ tiếp theo

Nhà nghiên cứu hàng đầu Tinh Kiệt Ni tại Đại học Bang Pennsylvania tin rằng siêu bề mặt có thể là nhân tố thay đổi cuộc chơi trong quang học, bởi vì khả năng điều khiển ánh sáng chưa từng có của chúng khiến chúng trở thành ứng cử viên sáng giá cho các hệ thống quang học thế hệ tiếp theo. Anh ấy nói, đây là lý do tại sao nhóm của anh ấy chuyên tâm vào việc nâng cao khả năng của các siêu giao diện thân thiện với chế tạo, có thể mở rộng.

“Chúng tôi dự định cải thiện các kỹ thuật thiết kế của mình để đạt được các cấu trúc nano chịu được sự không hoàn hảo của quá trình chế tạo. Điều này sẽ cho phép chúng tôi sử dụng công nghệ sản xuất khối lượng lớn chẳng hạn như quang khắc để tạo ra các kim loại quy mô lớn hoạt động trong phạm vi nhìn thấy được và kết hợp các thiết kế ăng-ten nano phức tạp hơn, chẳng hạn như ăng-ten nano hình dạng tự do, để bù cho quang sai màu,” ông nói Thế giới vật lý.

Metasurfaces giúp định hình chùm tia laser

Đinh Bình Thái tại Đại học Thành phố Hồng Kông đã không tham gia vào nghiên cứu và ông nghĩ rằng công việc này mở rộng các kịch bản hoạt động của metalenses và sẽ truyền cảm hứng cho nghiên cứu về metalenses với khẩu độ lớn. Ông nói rằng kỹ thuật in thạch bản DUV có thể được sử dụng để đạt được năng suất cao trong quá trình sản xuất kim loại có chi phí thấp với độ phân giải hợp lý. Điều này sẽ đưa các thành phần này vào thương mại hóa và biến chúng thành một phần trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta trong những năm tới.

Tsai tin rằng quang sai màu trong kim loại Penn State giới hạn việc sử dụng nó cho các ứng dụng đơn sắc. Ông cũng chỉ ra rằng việc thiết kế siêu thấu kính tiêu sắc băng thông rộng diện tích lớn vẫn là một thách thức lớn và đang có nhu cầu lớn. Ngoài ra, ông tin rằng một chiếc mặt nạ lớn là cách ưa thích để tạo ra các lớp phủ kim loại nhằm tránh các lỗi đường khâu và đơn giản hóa quy trình chế tạo.

Nghiên cứu được mô tả trong Chữ ACS Nano.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/