Metalenses har använts för att avbilda mikroskopiska egenskaper hos vävnad och lösa detaljer som är mindre än ljusets våglängd. Nu blir de större.
Forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat ett 10-centimeters glasmetallen som kan avbilda solen, månen och avlägsna nebulosor med hög upplösning. Det är de första storskaliga metallerna i helt glas i den synliga våglängden som kan massproduceras med hjälp av konventionell CMOS-tillverkningsteknik.
Forskningen publiceras i ACS Nano .
"Förmågan att noggrant kontrollera storleken på tiotals miljarder nanopelare över en aldrig tidigare skådad platt lins med hjälp av toppmoderna halvledargjuteriprocesser är en nanotillverkningsprestation som öppnar spännande nya möjligheter för rymdvetenskap och rymdteknik", säger Federico Capasso , Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS och senior författare till artikeln.
De flesta platta metalenses, som använder miljontals pelarliknande nanostrukturer för att fokusera ljus, är ungefär lika stora som en bit glitter. Under 2019 utvecklade Capasso och hans team en metalens i centimeterskala med hjälp av en teknik som kallas djup-ultraviolett (DUV) projektionslitografi, som projicerar och bildar ett nanostrukturmönster som direkt kan etsas in i glasskivan, vilket eliminerar den tidskrävande skrivningen och deponeringsprocesser som krävdes för tidigare metalenser.
DUV-projektionslitografi används vanligtvis för att mönstra fina linjer och former i silikonchips för smartphones och datorer. Joon-Suh Park, en före detta doktorand vid SEAS och nuvarande postdoktor i Capassos team visade att tekniken inte bara kunde användas för att massproducera metalenser utan också öka deras storlek för tillämpningar i virtuell och förstärkt verklighet.
Men att göra metalens ännu större för tillämpningar inom astronomi och optisk kommunikation i fritt rymd utgjorde ett tekniskt problem.
"Det finns en stor begränsning med litografiverktyget eftersom dessa verktyg används för att göra datorchips, så chipstorleken är begränsad till högst 20 till 30 millimeter", säger Park, medförfattare till tidningen. "För att göra en lins med en diameter på 100 millimeter behövde vi hitta en väg runt denna begränsning."
Park och teamet utvecklade en teknik för att sy ihop flera mönster av nanopelare med hjälp av DUV-projektionslitografiverktyget. Genom att dela upp linsen i 25 sektioner men endast använda de sju sektionerna av en kvadrant med tanke på rotationssymmetrin, visade forskarna att DUV-projektionslitografi kunde mönstra 18,7 miljarder designade nanostrukturer på ett 10-centimeters cirkulärt område på några minuter.
Teamet utvecklade också en vertikal glasetsningsteknik som möjliggör skapandet av nanopelare med släta sidoväggar med högt bildförhållande etsade i glas.
"Med samma DUV-projektionslitografi skulle man kunna producera aberrationskorrigerande metaoptik med stor diameter eller till och med större linser på skivor med större glasdiameter när motsvarande CMOS-gjuteriverktyg blir alltmer tillgängliga i branschen", säger Soon Wei Daniel Lim, en postdoktor vid SEAS och medförfattare till uppsatsen.
Lim spelade en huvudroll i den fullständiga simuleringen och karakteriseringen av alla möjliga tillverkningsfel som kan uppstå under masstillverkningsprocesser och hur de kan påverka metallens optiska prestanda.
Efter att ha tagit itu med möjliga tillverkningsutmaningar, visade forskarna kraften hos metalens vid avbildning av himmelska föremål.
Park och teamet monterade metallen på ett stativ med färgfilter och kamerasensor och tog sig upp på taket på Harvards Science Center. Där avbildade de solen, månen och Nordamerika-nebulosan, en svag nebulosa i stjärnbilden Cygnus cirka 2 590 ljusår bort.
"Vi kunde få mycket detaljerade bilder av solen, månen och nebulosan som är jämförbara med bilder tagna med konventionella linser", säger Arman Amirzhan, doktorand vid Capasso Lab och medförfattare till tidningen.
Med enbart metalens kunde forskarna avbilda samma kluster av solfläckar som en NASA-bild tagen samma dag.
Teamet visade också att linsen kunde överleva exponering för extrem värme, extrem kyla och de intensiva vibrationer som skulle uppstå under en rymduppskjutning utan någon skada eller förlust av optisk prestanda.
På grund av dess storlek och monolitiska glassammansättning kan linsen även användas för långdistanstelekommunikation och riktad energitransport.
Mer information: Joon-Suh Park et al, All-Glass 100 mm Diameter Visible Metalens for Imaging the Cosmos, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09462
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
