Пятница, 23 февраля, 2024
ДомойКосмосРеволюция в области космической визуализации: Гарвард создает первую крупномасштабную стеклянную металинзу

Революция в области космической визуализации: Гарвард создает первую крупномасштабную стеклянную металинзу

- Advertisement -

Ученые из Гарварда создали революционную 10-сантиметровую стеклянную металинзу, используя передовые нанотехнологии для получения изображений небесных тел с высоким разрешением. Эта крупногабаритная металинза, подходящая для массового производства, открывает новые возможности в космической науке и телекоммуникациях, демонстрируя качество изображения, сравнимое с традиционными линзами. Выше — изображение Луны, полученное металинзой с крыши здания в Кембридже, штат Массачусетс. Фото: Capasso Lab/Harvard SEAS.

Большая цельностеклянная металинза позволяет снимать изображения Солнца, Луны и туманностей.

Металинзы использовались для изображения микроскопических особенностей ткани и разрешения деталей размером меньше длины волны света. Теперь они становятся больше.

Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали стеклянную металинзу диаметром 10 сантиметров, которая может отображать Солнце, Луну и далекие туманности с высоким разрешением. Это первая крупногабаритная цельностеклянная металинза видимого диапазона волн, которую можно производить серийно с использованием традиционной технологии производства КМОП.

Исследование было недавно опубликовано в журнале АСУ Нано.

Прорыв в нанопроизводстве

«Способность точно контролировать размер десятков миллиардов наностолбиков с помощью беспрецедентно большой плоской линзы с использованием самых современных процессов литья полупроводников — это достижение нанопроизводства, которое открывает захватывающие новые возможности для космической науки и техники», — сказал Федерико Капассо. , профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник Винтона Хейса в области электротехники в SEAS и старший автор статьи.

Большинство плоских металинз, в которых для фокусировки света используются миллионы столбчатых наноструктур, имеют размер примерно с блестки. В 2019 году Капассо и его команда разработали металинзу сантиметрового масштаба, используя технику, называемую проекционной литографией в глубоком ультрафиолете (DUV), которая проецирует и формирует наноструктурный рисунок, который можно напрямую выгравировать на стеклянной пластине, устраняя трудоемкое написание и процессы осаждения, которые требовались для предыдущих металинз.

Изображение туманности Северная Америка в созвездии Лебедя, полученное металинзой на крыше Научного центра в Кембридже. Фото: Capasso Lab/Harvard SEAS.

Проекционная литография DUV обычно используется для создания тонких линий и форм на кремниевых чипах для смартфонов и компьютеров. Джун-Су Пак, бывший аспирант SEAS и нынешний научный сотрудник в команде Капассо, продемонстрировал, что эту технику можно не только использовать для массового производства металинз, но и увеличить их размер для приложений в виртуальной и дополненной реальности.

Но увеличение размера металинзы для применения в астрономии и оптической связи в открытом космосе создало инженерную проблему.

Преодоление инженерных проблем

«У инструментов для литографии есть серьезное ограничение, поскольку эти инструменты используются для изготовления компьютерных чипов, поэтому размер чипа ограничен не более чем 20–30 миллиметрами», — сказал Парк, один из первых авторов статьи. «Чтобы создать линзу диаметром 100 миллиметров, нам нужно было найти способ обойти это ограничение».

Парк и его команда разработали метод сшивания нескольких узоров наностолбиков с помощью инструмента проекционной литографии DUV. Разделив линзу на 25 секций, но используя только 7 секций квадранта с учетом вращательной симметрии, исследователи показали, что проекционная литография DUV может нанести 18,7 миллиардов спроектированных наноструктур на 10-сантиметровую круглую область за считанные минуты. Команда также разработала технику вертикального травления стекла, которая позволяет создавать наностолбики с высоким соотношением сторон и гладкими боковыми стенками, выгравированные на стекле.

«Используя ту же проекционную литографию DUV, можно производить метаоптику большого диаметра с коррекцией аберраций или даже линзы большего размера на стеклянных пластинах большего диаметра, поскольку соответствующие литейные инструменты КМОП становятся все более доступными в отрасли», — сказал Сун Вэй Дэниел Лим, постдокторант SEAS и соавтор статьи.

Эта стеклянная металинза диаметром 10 см может отображать Солнце, Луну и далекие туманности с высоким разрешением. Фото: Capasso Lab/Harvard SEAS.

Лим сыграл ведущую роль в полном моделировании и описании всех возможных производственных ошибок, которые могли возникнуть в процессе массового производства, и того, как они могли повлиять на оптические характеристики металинз.

Решив возможные производственные проблемы, исследователи продемонстрировали возможности металинзы в визуализации небесных объектов.

Демонстрация возможностей Металенза

Установив металинзу на штатив с цветным фильтром и сенсором камеры, Парк и его команда поднялись на крышу Гарвардского научного центра. Там они сфотографировали Солнце, Луну и туманность Северная Америка, тусклую туманность в созвездии Лебедя, находящуюся примерно в 2590 световых годах от нас.

«Нам удалось получить очень подробные изображения Солнца, Луны и туманности, которые сравнимы с изображениями, полученными обычными объективами», — сказал Арман Амиржан, аспирант лаборатории Капассо и соавтор статьи.

Используя только металинзу, исследователи смогли получить изображение того же скопления солнечных пятен, что и НАСА снимок сделан в тот же день.

Команда также продемонстрировала, что линза может выдержать воздействие сильной жары, сильного холода и сильных вибраций, которые могут возникнуть во время космического запуска, без каких-либо повреждений или потери оптических характеристик.

Благодаря своему размеру и монолитному составу стекла линзу также можно использовать для телекоммуникаций на большие расстояния и для направленной передачи энергии.

Ссылка: «Цельностеклянные видимые металинзы диаметром 100 мм для визуализации космоса» Джун Су Пак, Сун Вэй Даниэль Лим, Арман Амиржан, Хюкмо Кан, Карлин Каррфальт, Дэук Ким, Джоэл Леже, Августин Урбас, Маркус Оссиандер, Чжаойи Ли и Федерико Капассо, 17 января 2024 г., АСУ Нано.
DOI: 10.1021/acsnano.3c09462

Исследование было поддержано Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (США).ДАРПА) Грант № HR00111810001 и Управление научных исследований ВВС по гранту № FA9550-22-1-0312.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме