Los metalentes se han utilizado para obtener imágenes de características microscópicas del tejido y resolver detalles más pequeños que una longitud de onda de luz. Ahora van a ser más grandes.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard han desarrollado una lente metálica de vidrio de 10 centímetros de diámetro que puede obtener imágenes del Sol, la Luna y nebulosas distantes con alta resolución. Se trata de la primera lente metálica de gran escala totalmente de vidrio en la longitud de onda visible que se puede producir en masa utilizando la tecnología de fabricación CMOS convencional.
La investigación se publica en ACS Nano .
"La capacidad de controlar con precisión el tamaño de decenas de miles de millones de nanopilares sobre una lente plana de tamaño sin precedentes utilizando procesos de fundición de semiconductores de última generación es una hazaña de nanofabricación que abre nuevas e interesantes oportunidades para la ciencia y la tecnología espaciales", afirmó Federico Capasso. , profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada e investigador principal Vinton Hayes en ingeniería eléctrica en SEAS y autor principal del artículo.
La mayoría de las metalentes planas, que utilizan millones de nanoestructuras en forma de pilares para enfocar la luz, tienen aproximadamente el tamaño de una pieza de brillantina. En 2019, Capasso y su equipo desarrollaron una lente metálica a escala centimétrica utilizando una técnica llamada litografía de proyección ultravioleta profunda (DUV), que proyecta y forma un patrón de nanoestructura que se puede grabar directamente en la oblea de vidrio, eliminando la escritura y la escritura que consumen mucho tiempo. procesos de deposición que eran necesarios para los metalenses anteriores.
La litografía de proyección DUV se utiliza comúnmente para modelar líneas finas y formas en chips de silicio para teléfonos inteligentes y computadoras. Joon-Suh Park, ex estudiante de posgrado en SEAS y actual becario postdoctoral en el equipo de Capasso, demostró que la técnica no solo podría usarse para producir metalenses en masa sino también aumentar su tamaño para aplicaciones en realidad virtual y aumentada.
Pero hacer que las lentes metálicas sean aún más grandes para aplicaciones en astronomía y comunicaciones ópticas en el espacio libre planteó un problema de ingeniería.
"Existe una limitación importante con la herramienta de litografía porque estas herramientas se utilizan para fabricar chips de computadora, por lo que el tamaño del chip está restringido a no más de 20 a 30 milímetros", dijo Park, primer autor del artículo. "Para poder fabricar una lente de 100 milímetros de diámetro, necesitábamos encontrar una manera de sortear esta limitación."
Park y el equipo desarrollaron una técnica para unir varios patrones de nanopilares utilizando la herramienta de litografía de proyección DUV. Al dividir la lente en 25 secciones, pero utilizando solo las siete secciones de un cuadrante considerando la simetría rotacional, los investigadores demostraron que la litografía de proyección DUV podía modelar 18,7 mil millones de nanoestructuras diseñadas en un área circular de 10 centímetros en cuestión de minutos.
El equipo también desarrolló una técnica de grabado vertical de vidrio que permite la creación de nanopilares de paredes laterales lisas y de alta relación de aspecto grabados en vidrio.
"Utilizando la misma litografía de proyección DUV, se podrían producir metaópticas de gran diámetro con corrección de aberraciones o incluso lentes más grandes en obleas de vidrio de mayor diámetro a medida que las correspondientes herramientas de fundición CMOS estén cada vez más disponibles en la industria", dijo Soon Wei Daniel Lim, becario postdoctoral en SEAS y coprimer autor del artículo.
Lim desempeñó un papel principal en la simulación y caracterización completa de todos los posibles errores de fabricación que podrían surgir durante los procesos de fabricación en masa y cómo podrían afectar el rendimiento óptico de los metalenses.
Después de abordar posibles desafíos de fabricación, los investigadores demostraron el poder de las lentes metálicas para obtener imágenes de objetos celestes.
Montando las lentes metálicas en un trípode con un filtro de color y un sensor de cámara, Park y el equipo subieron al techo del Centro de Ciencias de Harvard. Allí, tomaron imágenes del Sol, la Luna y la nebulosa de América del Norte, una nebulosa tenue en la constelación de Cygnus, a unos 2.590 años luz de distancia.
"Pudimos obtener imágenes muy detalladas del Sol, la Luna y la nebulosa que son comparables a las imágenes tomadas con lentes convencionales", dijo Arman Amirzhan, estudiante de posgrado en el Laboratorio Capasso y coautor del artículo. P>
Utilizando sólo los metales, los investigadores pudieron fotografiar el mismo grupo de manchas solares que una imagen de la NASA tomada ese mismo día.
El equipo también demostró que la lente podría sobrevivir a la exposición al calor extremo, al frío extremo y a las intensas vibraciones que se producirían durante un lanzamiento espacial sin ningún daño ni pérdida de rendimiento óptico.
Debido a su tamaño y composición de vidrio monolítico, la lente también podría usarse para telecomunicaciones de largo alcance y aplicaciones de transporte de energía dirigida.
Más información: Joon-Suh Park et al, Lentes metálicas visibles totalmente de vidrio de 100 mm de diámetro para obtener imágenes del cosmos, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09462
Información de la revista: ACS Nano
Proporcionado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
