Astronomen und Amateure wissen gleichermaßen, je größer das Teleskop, desto leistungsstärker die Abbildungsleistung. Um die Leistung zu erhalten, aber eine der sperrigeren Komponenten zu rationalisieren, hat ein von der Penn State geleitetes Forschungsteam das erste ultradünne, kompakte Metallteleskop entwickelt, das in der Lage ist, weit entfernte Objekte, einschließlich des Mondes, abzubilden.
Metalllinsen bestehen aus winzigen, antennenartigen Oberflächenmustern, die Licht fokussieren können, um entfernte Objekte auf die gleiche Weise wie herkömmliche gebogene Glaslinsen zu vergrößern, aber sie haben den Vorteil, dass sie flach sind. Obwohl in der Vergangenheit kleine, millimeterbreite Metalllinsen entwickelt wurden, haben die Forscher die Größe der Linse auf einen Durchmesser von acht Zentimetern oder eine Breite von etwa vier Zoll skaliert, was den Einsatz in großen optischen Systemen wie Teleskopen ermöglicht. Sie veröffentlichten ihren Ansatz in Nano-Buchstaben.
„Herkömmliche Kamera- oder Teleskopobjektive haben eine gekrümmte Oberfläche unterschiedlicher Dicke, wo Sie eine Beule in der Mitte und dünnere Kanten haben, wodurch das Objektiv sperrig und schwer wird“, sagte der korrespondierende Autor Xingjie Ni, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computer Wissenschaft an der Penn State. „Metalenses verwenden Nanostrukturen auf der Linse anstelle von Krümmungen, um das Licht zu konturieren, wodurch sie flach liegen können.“
Das ist einer der Gründe, sagte Ni, dass moderne Handy-Kameralinsen aus dem Gehäuse des Telefons herausragen: Die Dicke der Linsen nimmt Platz ein, obwohl sie flach erscheinen, da sie hinter einem Glasfenster verborgen sind.
Metalllinsen werden typischerweise unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie hergestellt, bei der ein fokussierter Elektronenstrahl auf ein Stück Glas oder ein anderes transparentes Substrat gescannt wird, um antennenartige Muster Punkt für Punkt zu erzeugen. Der Scanprozess des Elektronenstrahls begrenzt jedoch die Größe der herstellbaren Linse, da das Scannen jedes Punktes zeitaufwändig ist und einen geringen Durchsatz hat.
Um eine größere Linse zu schaffen, passten die Forscher eine Herstellungsmethode an, die als Deep Ultraviolett (DUV)-Photolithographie bekannt ist und üblicherweise zur Herstellung von Computerchips verwendet wird.
„DUV-Photolithographie ist ein Prozess mit hohem Durchsatz und hoher Ausbeute, mit dem viele Computerchips innerhalb von Sekunden hergestellt werden können“, sagte Ni. „Wir haben festgestellt, dass dies eine gute Herstellungsmethode für Metalllinsen ist, da sie viel größere Mustergrößen ermöglicht und gleichzeitig kleine Details beibehält, wodurch die Linse effektiv arbeiten kann.“
Die Forscher modifizierten die Methode mit ihrem eigenen neuartigen Verfahren, genannt „Rotating Wafer and Stitching“. Die Forscher teilten den Wafer, auf dem die Metalens hergestellt wurden, in vier Quadranten, die weiter in 22 mal 22 Millimeter große Bereiche unterteilt wurden – kleiner als eine Standardbriefmarke. Mit einem DUV-Lithographiegerät an der Cornell University projizierten sie ein Muster durch Projektionslinsen auf einen Quadranten, den sie dann um 90 Grad drehten und erneut projizierten. Sie wiederholten die Drehung, bis alle vier Quadranten gemustert waren.
„Das Verfahren ist kostengünstig, da die Masken, die die Musterdaten für jeden Quadranten enthalten, aufgrund der Rotationssymmetrie der Metalens wiederverwendet werden können“, sagte Ni. „Das reduziert die Herstellungs- und Umweltkosten des Verfahrens.“
Mit zunehmender Größe der Metalens wurden die zur Verarbeitung der Muster erforderlichen digitalen Dateien erheblich größer, was für die Verarbeitung durch die DUV-Lithographiemaschine lange dauern würde. Um dieses Problem zu lösen, komprimierten die Forscher die Dateien mithilfe von Datenannäherungen und durch Bezugnahme auf nicht eindeutige Daten.
„Wir haben jede mögliche Methode genutzt, um die Dateigröße zu reduzieren“, sagte Ni. „Wir haben identische Datenpunkte identifiziert und auf vorhandene verwiesen und die Daten schrittweise reduziert, bis wir eine verwendbare Datei hatten, die wir an die Maschine zur Erstellung der Metalens senden konnten.“
Unter Verwendung der neuen Herstellungsmethode entwickelten die Forscher ein Einzellinsen-Teleskop und nahmen klare Bilder der Mondoberfläche auf – wodurch eine höhere Auflösung von Objekten und eine viel größere Abbildungsentfernung als bei früheren Metalllinsen erreicht wurden. Bevor die Technologie auf moderne Kameras angewendet werden kann, müssen sich die Forscher jedoch mit dem Problem der chromatischen Aberration befassen, die zu Bildverzerrungen und Unschärfen führt, wenn Licht verschiedener Farben, das in verschiedene Richtungen gebeugt wird, in ein Objektiv eindringt.
„Wir erforschen kleinere und anspruchsvollere Designs im sichtbaren Bereich und werden verschiedene optische Aberrationen, einschließlich chromatischer Aberration, kompensieren“, sagte Ni.
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Lidan Zhang et al., High-Efficiency, 80 mm Aperture Metalens Telescope, Nano-Buchstaben (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03561