超透镜遇见星星

超镜头已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。现在他们正在变得更大。

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发出了一种直径10厘米的玻璃超灯泡，可以对太阳、月亮和遥远的星云进行高分辨率成像。可见波长范围内的全玻璃大型超光源，可以利用传统的CMOS制造技术进行批量生产。

该研究发表在ACS Nano上。

费德里科·卡帕索表示：“利用最先进的半导体铸造工艺，能够在北极的大平面图上准确控制数百亿纳米柱的尺寸，这是一个制造大型举，为空间科学和技术带来了令人兴奋的新机遇。”，SEAS 应用物理学家 Robert L. Wallace 教授和电气工程 Vinton Hayes 高级研究员，也是该论文的高级作者。

大多数平面超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。

2019年，卡帕索和他的团队使用深紫外(DUV)投影光刻技术开发了厘米级超透镜，该技术可以投影并形成可以直接蚀刻到玻璃晶圆上的纳米结构图案，从而消除了耗时的写入和绘制过程。以前的超透镜所需的沉积工艺。

DUV 投影光刻通常用于在智能手机和计算机的硅芯片中形成细线和形状图案。

Joon-Suh Park 是 SEAS 的前研究生，现任 Capasso 团队的博士后研究员，他证明该技术不仅可以用于大规模生产超透镜，还可以增加超透镜的尺寸，以便在虚拟和增强现实中应用。

但是，为了天文学和自由空间光通信的应用而使超透镜变得更大会带来工程问题。

“光刻工具有一个重大限制，因为这些工具用于制造计算机芯片，因此芯片尺寸被限制在不超过 20 至 30 毫米，”该论文的共同第一作者 Park 说。

“为了制造直径 100 毫米的镜头，我们需要找到解决这一限制的方法。”

Park 和团队开发了一种技术，使用 DUV 投影光刻工具将多种纳米柱图案缝合在一起。

通过将透镜分为 25 个部分，但考虑到旋转对称性，仅使用象限的 7 个部分，研究人员表明，DUV 投影光刻可以在几分钟内将 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。

Soon Wei Daniel Lim 表示：“随着相应的 CMOS 代工工具在行业中的应用越来越广泛，使用相同的 DUV 投影光刻技术，可以在更大的玻璃直径晶圆上生产大直径、像差校正元光学器件，甚至更大的透镜。” SEAS 博士后研究员，也是该论文的共同第一作者。

Lim 在对大规模制造过程中可能出现的所有可能的制造错误以及它们如何影响超镜头的光学性能进行全面模拟和表征方面发挥了主导作用。

在解决了可能的制造挑战后，研究人员展示了超透镜在天体成像中的强大功能。

Park 和团队将超透镜安装在带有滤色镜和相机传感器的三脚架上，然后登上了哈佛大学科学中心的屋顶。

在那里，他们拍摄了太阳、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。

卡帕索实验室的研究生、该论文的合著者阿曼·阿米尔詹 (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。”

仅使用超透镜，研究人员就能够拍摄出与美国宇航局当天拍摄的图像相同的太阳黑子簇图像。

该团队还证明，该镜头可以承受极热、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。

由于其尺寸和单片玻璃成分，该度假村用于远程电信和定向能量传输应用。

该研究由 Hyukmo Kang、Karlene Karrfalt、Daewook Kim、Joel Leger、Augustine Urbas、Marcus Ossiander 和 Zayi Li 共同撰写。它得到了国防高级研究计划局 (DARPA) 的资助号 HR00111810001 和空军科学研究办公室的资助，资助号为 FA9550-22-1-0312。

来源: Materials provided by Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Original written by Leah Burrows.
注明: Content may be edited for style and length. Related Multimedia: 10-centimeter-diameter glass metalens, and its high res images Journal Reference: Joon-Suh Park, Soon Wei Daniel Lim, Arman Amirzhan, Hyukmo Kang, Karlene Karrfalt, Daewook Kim, Joel Leger, Augustine Urbas, Marcus Ossiander, Zhaoyi Li, and Federico Capasso. All-Glass 100 mm Diameter Visible Metalens for Imaging the Cosmos. ACS Nano, 2024 DOI: 10.1021/acsnano.3c09462