全玻璃100毫米可见光超构透镜，用于高分辨率天文成像
2024-01-26 16:16:16 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这种全玻璃100毫米超构透镜可以对太阳、月亮和遥远的星云进行高分辨率成像。这是首个可见波长范围内的全玻璃大型超构透镜，可以使用传统的CMOS工艺进行批量生产。
超构透镜（Metalenses）已被用于对组织的微观特征进行成像并解析小于光波长的细节。借助CMOS工艺能力，超构透镜的制造与应用正在变得越来越成熟。
据麦姆斯咨询报道，近期，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发出一种直径为100毫米的全玻璃超构透镜，可以对太阳、月亮和遥远的星云进行高分辨率成像。这是首个可见波长范围内的全玻璃大型超构透镜，可以使用传统的CMOS工艺进行批量生产。该项研究的相关论文以“All-Glass 100 mm Diameter Visible Metalens for Imaging the Cosmos”为题发表在ACS Nano期刊上。
全玻璃超构透镜及天文成像
哈佛大学SEAS应用物理学教授、电气工程高级研究员，也是该论文的作者Federico Capasso表示：“利用最先进的半导体制造工艺，能够在前所未有的大平面玻璃晶圆上精确控制数百亿纳米柱的尺寸，这是一项纳米制造壮举，为空间科学和技术带来了令人兴奋的新机遇。”
大多数平面超构透镜使用数百万个柱状纳米结构来聚焦光线，其大小约为一块闪光片（glitter）。2019年，Federico Capasso和他的团队使用深紫外（DUV）光刻技术开发了一种厘米级的超构透镜。这项技术投影并形成可以直接蚀刻到玻璃晶圆中的纳米结构图案，从而消除了以前的超构透镜所需的耗时的激光写入和沉积工艺。
深紫外光刻通常用于在智能手机和计算机的硅芯片中形成精细的线条和形状图案。Joon-Suh Park是哈佛大学SEAS的前研究生，现任Federico Capasso团队的博士后研究员，他证明深紫外光刻技术不仅可以用于大规模生产超构透镜，也可以实现大尺寸全玻璃超构透镜，以便在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）中应用。
但是，为了天文学和自由空间光通信应用而使超构透镜变得更大会带来一些工程问题。该论文的共同第一作者Joon-Suh Park说道：“光刻设备有一个主要限制，因为其主要用于制造智能手机和计算机的芯片，因此芯片尺寸被限制在不超过20至30毫米。为了制造直径为 100毫米的超构透镜，我们需要找到解决这一限制的方法。”
Joon-Suh Park和团队开发了一种使用深紫外光刻设备将多种纳米柱图案“缝合”在一起的技术。研究人员表明，通过将超构透镜分为25个部分，但考虑到旋转对称性，仅使用象限的7个部分，利用深紫外光刻技术可以在几分钟内将187亿个设计的纳米结构图案化到10厘米的圆形区域上。
该团队还开发了一种垂直玻璃蚀刻技术，可以在玻璃中蚀刻出高纵横比、光滑侧壁的纳米柱。哈佛大学SEAS博士后研究员，也是该论文的共同第一作者Soon Wei Daniel Lim表示：“随着相应的CMOS工艺设备在行业中的应用越来越广泛，使用相同的深紫外光刻技术，可以在更大直径的玻璃晶圆上生产大直径、像差校正超构光学元件，甚至更大的超构透镜。”
Soon Wei Daniel Lim在模拟和表征大规模制造过程中可能出现的所有制造误差以及它们如何影响超构透镜的光学性能方面发挥了主导作用。
在解决了可能的制造挑战之后，哈佛大学SEAS研究人员展示了超构透镜在天文成像中的强大功能。
Joon-Suh Park和团队将超构透镜安装在带有滤光片和图像传感器的三脚架上，然后登上了哈佛大学科学中心的屋顶，并在那里拍摄了太阳、月亮和北美星云（位于天鹅座约2,590光年外的暗淡星云）的图像。
利用直径为100毫米的玻璃超构透镜对月亮进行成像
Federico Capasso实验室的研究生、该论文的合著者Arman Amirzhan表示：“我们能够获得非常详细的太阳、月亮和星云图像，这些图像与传统镜头拍摄的图像相当。”
研究人员利用该超构透镜能够拍摄出与美国宇航局（NASA）当天拍摄的图像相同的太阳黑子群图像。该团队还证明，该超构透镜可以承受极热、极冷以及太空发射期间发生的强烈振动，而不会损坏或损失光学性能。
左图：利用超构透镜从哈佛大学科学中心屋顶拍摄的太阳图像，太阳黑子被标记为红色。右图：美国宇航局在同一天拍摄的太阳图像，其中识别出相同的太阳黑子群。
由于该超构透镜的尺寸和单片玻璃成分，它还可被用于远程通信和定向能量传输等应用。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c09462
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