Les métalenses ont été utilisées pour imager les caractéristiques microscopiques des tissus et résoudre des détails furthermore petits qu#39une longueur d#39onde de la lumière. Maintenant, ils grossissent.
Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson University of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un verre métallique de 10 centimètres de diamètre able d#39imager le soleil, la lune et les nébuleuses lointaines avec une haute résolution. Il s#39agit du premier métal en verre à grande échelle dans la longueur d#39onde seen qui peut être produit en masse à l#39aide de la technologie de fabrication CMOS conventionnelle.
La recherche est publiée dans ACS Nano.
« La capacité de contrôler avec précision la taille de dizaines de milliards de nanopiliers sur une lentille plate d#39une taille sans précédent en utilisant des procédés de fonderie de semi-conducteurs de pointe est une prouesse de nanofabrication qui ouvre de nouvelles opportunités passionnantes pour la science et la technologie spatiales », a déclaré Federico Capasso. professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS et auteur principal de l#39short article.
La plupart des lentilles métalliques plates, qui utilisent des tens of millions de nanostructures en forme de pilier pour focaliser la lumière, ont à peu près la taille d#39un morceau de paillettes. En 2019, Capasso et son équipe ont développé un métal à l#39échelle centimétrique en utilisant une approach appelée lithographie par projection ultraviolette profonde (DUV), qui projette et forme un motif de nanostructure qui peut être directement gravé dans la plaquette de verre. éliminant les processus fastidieux d#39écriture et de dépôt qui étaient nécessaires pour les métaux précédents.
La lithographie par projection DUV est couramment utilisée pour dessiner des lignes et des formes fines dans les puces de silicium destinées aux smartphones et aux ordinateurs. Joon-Suh Park, ancien étudiant diplômé de SEAS et actuel chercheur postdoctoral dans l#39équipe de Capasso, a démontré que la strategy pouvait non seulement être utilisée pour produire en masse des lentilles métalliques, mais également augmenter leur taille pour des apps en réalité virtuelle et augmentée.
Mais rendre les métaux encore in addition grands pour des programs en astronomie et en communications optiques en espace libre posait un problème d#39ingénierie.
« Il existe une limitation majeure avec l#39outil de lithographie, car ces outils sont utilisés pour fabriquer des puces informatiques, la taille des puces est donc limitée à 20 à 30 millimètres highest », a déclaré Park, co-leading auteur de l#39posting. « Afin de fabriquer un objectif de 100 millimètres de diamètre, nous devions trouver un moyen de contourner cette limitation. »
Park et l#39équipe ont développé une technique permettant d#39assembler plusieurs modèles de nanopiliers à l#39aide de l#39outil de lithographie par projection DUV. En divisant la lentille en 25 sections mais en utilisant uniquement les 7 sections d#39un quadrant en tenant compte de la symétrie de rotation, les chercheurs ont montré que la lithographie par projection DUV pouvait modeler 18,7 milliards de nanostructures conçues sur une zone circulaire de 10 centimètres en quelques minutes. L’équipe a également développé une technique de gravure verticale du verre qui permet la création de nanopiliers à paroi latérale lisse et à rapport d’aspect élevé gravés dans le verre.
« En utilisant la même lithographie par projection DUV, on pourrait produire des méta-optiques de grand diamètre corrigeant les aberrations ou des lentilles encore additionally grandes sur des tranches de verre de additionally grand diamètre, à mesure que les outils de fonderie CMOS correspondants deviennent de as well as en moreover disponibles dans l#39industrie », a déclaré Shortly Wei Daniel Lim, chercheur postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l#39post.
Lim a joué un rôle de premier approach dans la simulation et la caractérisation complètes de toutes les erreurs de fabrication possibles pouvant survenir lors des processus de fabrication de masse et dans leur affect sur les performances optiques des lentilles métalliques.
Après avoir relevé d’éventuels défis de fabrication, les chercheurs ont démontré le pouvoir des métaux dans l’imagerie des objets célestes.
Montant les métaux sur un trépied doté d#39un filtre couleur et d#39un capteur de caméra, Park et l#39équipe se sont rendus sur le toit du Science Middle de Harvard. Là, ils ont photographié le Soleil, la Lune et la nébuleuse de l’Amérique du Nord, une faible nébuleuse située dans la constellation du Cygne, à environ 2 590 années-lumière.
« Nous avons pu obtenir des pictures très détaillées du Soleil, de la Lune et de la nébuleuse, comparables aux photos prises par des objectifs conventionnels », a déclaré Arman Amirzhan, étudiant diplômé du Capasso Lab et co-auteur de l#39article.
En utilisant uniquement les métaux, les chercheurs ont pu imager le même groupe de taches solaires qu#39une impression de la NASA prise le même jour.
L’équipe a également démontré que l’objectif pouvait survivre à une exposition à une chaleur extrême, à un froid extrême et aux vibrations intenses qui se produiraient lors d’un lancement spatial sans aucun dommage ni perte de performances optiques.
En raison de sa taille et de la composition de son verre monolithique, la lentille pourrait également être utilisée pour les applications de télécommunications à longue portée et de transport d#39énergie dirigé.
La recherche est co-écrite par Hyukmo Kang, Karlene Karrfalt, Daewook Kim, Joel Leger, Augustine Urbas, Marcus Ossiander et Zhaoyi Li. Il a été soutenu par la subvention n° HR00111810001 de la Protection Highly developed Analysis Initiatives Company (DARPA) et par le Bureau de la recherche scientifique de l#39Air Power sous le prix n° FA9550-22-1-0312.
