Store metalens helt i glas afbilder sol, måne og tåger

Men at gøre metalens endnu større til anvendelser inden for astronomi og optisk kommunikation i frit rum udgjorde et teknisk problem.

"Der er en stor begrænsning med litografiværktøjet, fordi disse værktøjer bruges til at lave computerchips, så chipstørrelsen er begrænset til ikke mere end 20 til 30 millimeter," sagde Park, medførsteforfatter af papiret. "For at kunne lave en linse med en diameter på 100 millimeter var vi nødt til at finde en vej uden om denne begrænsning."

Park og holdet udviklede en teknik til at sy flere mønstre af nanopiller sammen ved hjælp af DUV-projektionslitografiværktøjet. Ved at opdele linsen i 25 sektioner, men kun bruge de syv sektioner af en kvadrant i betragtning af rotationssymmetrien, viste forskerne, at DUV-projektionslitografi kunne mønstre 18,7 milliarder designede nanostrukturer på et 10-centimeter cirkulært område i løbet af få minutter.

Holdet udviklede også en vertikal glasætsningsteknik, der tillader skabelsen af ​​nanopiller med glat sidevæg med højt billedformat, ætset ind i glas.

"Ved at bruge den samme DUV-projektionslitografi kunne man producere aberrationskorrigerende meta-optik med stor diameter eller endnu større linser på wafere med større glasdiameter, efterhånden som de tilsvarende CMOS-støbeværktøjer bliver mere og mere tilgængelige i industrien," sagde Soon Wei Daniel Lim, postdoc ved SEAS og medførsteforfatter på papiret.

Lim spillede en hovedrolle i den fulde simulering og karakterisering af alle de mulige fabrikationsfejl, der kunne opstå under massefremstillingsprocesser, og hvordan de kunne påvirke den optiske ydeevne af metalenses.

Efter at have adresseret mulige produktionsudfordringer demonstrerede forskerne metalens magt til at afbilde himmellegemer.

Ved at montere metalens på et stativ med et farvefilter og kamerasensor, tog Park og holdet op på taget af Harvard's Science Center. Der afbildede de solen, månen og Nordamerika-tågen, en mørk tåge i stjernebilledet Cygnus omkring 2.590 lysår væk.

"Vi var i stand til at få meget detaljerede billeder af solen, månen og tågen, der kan sammenlignes med billeder taget med konventionelle linser," sagde Arman Amirzhan, en kandidatstuderende i Capasso Lab og medforfatter af papiret.

Kun ved at bruge metalens var forskerne i stand til at afbilde den samme klynge af solpletter som et NASA-billede taget samme dag.

Holdet demonstrerede også, at linsen kunne overleve udsættelse for ekstrem varme, ekstrem kulde og de intense vibrationer, der ville opstå under en rumopsendelse uden nogen skade eller tab af optisk ydeevne.

På grund af dens størrelse og monolitiske glassammensætning kunne linsen også bruges til langdistance telekommunikation og rettet energitransport.

Flere oplysninger: Joon-Suh Park et al, All-Glass 100 mm Diameter Visible Metalens for Imaging the Cosmos, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09462

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences