带有大口径超透镜的望远镜拍摄月球

美国的研究人员向实际使用光学超表面迈出了重要一步。 该团队使用常见的半导体制造工艺来生产大孔径、扁平的超透镜。 通过将其用作瞄准月球的简单望远镜中的物镜，证明了其光学性能。 该望远镜实现了卓越的分辨率，并产生了月球表面的清晰图像。

400 多年来，望远镜一直被用来观察宇宙。 在 1600 年代初期，伽利略·伽利莱 (Galileo Galilei) 使用望远镜观察木星的卫星，去年，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (James Webb Space Telescope) 开始拍摄壮观的宇宙图像。

今天专业天文学家使用的望远镜往往又大又笨重，这常常限制了它们的使用方式和使用地点。 这些仪器的尺寸是由它们的大孔径和通常复杂的多元件光学系统决定的，这些光学系统对于消除像差和提供所需的高性能是必不可少的。

工程纳米结构

光学超表面提供了一种使望远镜和其他光学系统更小、更简单的潜在方法。 这些是工程纳米结构，可以被认为是一系列人造光学天线（见图）。 这些天线可以操纵光，例如改变其振幅、相位和偏振。

这些超表面可以设计用于聚焦光线，从而创造出与传统光学器件相比具有显着优势的超透镜。 例如，与传统光学器件相比，超透镜的平面没有球面像差，超透镜超薄且重量轻。

然而，超透镜的生产仍处于起步阶段。 当前的制造方法基于扫描系统，例如电子束 (e-beam) 光刻和聚焦离子束 (FIB) 技术。 它们速度慢、价格昂贵，并且将超透镜的尺寸限制在几毫米以内。 这使得大批量生产几乎不可能，并且意味着超透镜目前价格昂贵，而且对于望远镜等大口径应用来说太小了。

元望远镜

现在，宾夕法尼亚州立大学和美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员已经想出了一种制造超透镜的更好方法。 他们的工艺可以扩大规模以进行大规模生产，并可用于制造适用于望远镜应用的大孔径尺寸的超透镜。

该团队使用了深紫外 (DUV) 光刻，这是半导体行业常用的一种技术。 他们的工艺涉及在四英寸硅晶圆的顶部形成图案。 他们的 80 毫米直径超透镜分为 16 个部分，通过在晶圆的不同象限上曝光相同的图案来组合这些部分。 图案拼接和晶圆旋转消除了对暴露整个表面的昂贵的单个大掩模的需要。

强度分布

通过测量聚焦激光束在跨越 1200-1600 nm 的宽波长范围内的强度分布来表征超透镜的性能。 测试表明，尽管超透镜被设计为在 1450 nm 下工作，但它可以在整个范围内将光线紧紧地聚焦到接近衍射极限的位置。 然而，衍射色散确实会在整个波长范围内改变焦距——一种称为色差的不利影响。

通过将超透镜用作望远镜内的物镜来测试超透镜的分辨能力。 该团队使用该望远镜成功地对月球表面的各种特征进行了成像，最小分辨特征尺寸约为 80 公里。 这是迄今为止此类超透镜报告的最佳分辨率。

下一代系统

首席研究员 倪星杰 宾夕法尼亚州立大学的研究人员认为，超表面可以改变光学领域的游戏规则，因为它们前所未有的光操纵能力使它们成为下一代光学系统的有力候选者。 他说，这就是为什么他的团队致力于提高可扩展、制造友好的超表面的能力。

“我们计划改进我们的设计技术，以实现可容忍制造缺陷的纳米结构。 这将使我们能够使用光刻等大批量制造技术来制造在可见光范围内工作的大规模超透镜，并结合更复杂的纳米天线设计，例如自由形状的纳米天线，以补偿色差，”他说 物理世界.

超表面有助于塑造激光束

丁平仔 香港城市大学的张教授没有参与这项研究，他认为这项工作扩展了超透镜的工作场景，将激发对大孔径超透镜的研究。 他说，深紫外光刻可用于以合理的分辨率实现低成本超透镜的高产量制造。 这将使组件商业化，并在未来几年使它们成为我们日常生活的一部分。

Tsai 认为，宾夕法尼亚州超透镜的色差限制了它在单色应用中的使用。 他还指出，大面积宽带消色差元透镜的设计仍然是一个很大的挑战，需求旺盛。 此外，他认为大掩模是制作超透镜的首选方式，以避免拼接错误并简化制造过程。

该研究描述于 ACS 纳米快报.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/telescope-with-large-aperture-metalens-images-the-moon/