用于成像月球表面的大口径超透镜

  宾夕法尼亚州大学公园，2023年3月8日-宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种大到可以放入望远镜中的超透镜，然后他们使用光学元件来成像月球表面。

  研究人员用这种超透镜制作了超透镜望远镜，实验结果表明，这种超透镜工作在近红外范围内，焦斑尺寸几乎为衍射极限，在1450 nm处的峰值聚焦效率为80.84%。

  研究人员说，尽管超透镜前景被看好，但通过传统制造方法设计的设备的孔径大小，限制了它们在望远镜等实际光学设备上的使用。

  宾夕法尼亚州立大学的超透镜直径为8厘米，比之前开发的大多数功能超透镜都大，后者以毫米为单位。

左起：宾夕法尼亚州立大学电气工程研究生张丽丹、张圣远和塔里克·拉赫曼博士，以及宾夕法尼亚州立大学副教授倪兴杰展示他们扁平、紧凑的超片，将其集成到望远镜中可以拍摄月球表面的图像。

杰夫·徐/宾州州立大学提供

  超透镜通常是使用电子束光刻技术制造的，在这种方法中，聚焦的电子束被扫描到一块玻璃或其他透明基板上，逐点产生类似天线的图案。然而，电子束的扫描过程限制了可以创建的透镜的大小，因为扫描每个点都很耗时并且吞吐量很低。

  为了制造出更大的透镜，研究小组使用了深紫外线(DUV)光刻技术。

  根据宾夕法尼亚州立大学电气工程和计算机科学副教授、通讯作者倪兴杰的说法，这种高通量、高产量的工艺可以用于生产。在几秒钟内就有了许多电脑芯片。

  倪说：我们发现这是一种很好的超透镜制造方法，因为它允许更大的图案尺寸，同时仍然保持小细节，这使得透镜能够有效地工作。研究人员用他们自己的新程序改进了这种方法，称为旋转晶片和缝合。

  研究人员用他们自己的新程序改进了这种方法，称为旋转晶片和缝合。他们将制造超透镜的晶片分成四个象限，这些象限又被进一步划分为22×22毫米的区域--比标准邮票还小。使用DUV光刻机，他们通过投影镜将图案投影到一个象限上，然后将其旋转90°，然后再次投影。他们重复旋转，直到所有四个象限都画好了图案。

  由于超透镜的旋转对称性，包含每个象限的图案数据的掩模可以重复使用，因此这一过程具有成本效益。倪说：“这降低了这种方法的制造和环境成本。”

  随着超透镜尺寸的增加，处理图案所需的数字文件变得明显更大，这将需要DUV光刻机处理很长时间。为了解决这个问题，研究人员使用数据近似和引用非唯一数据来压缩文件。

  “我们利用了所有可能的方法来减小文件大小，”倪说。我们确定了相同的数据点，并参考了现有的数据点，逐渐减少了数据，直到我们有一个可用的文件可以发送到机器上来创建超透镜。

  使用这种新的制造方法，研究人员开发了一种单透镜望远镜，并捕捉到了月球表面的清晰图像--与以前的超透镜相比，实现了更高的物体分辨率和更远的成像距离。

  宾夕法尼亚州立大学的团队成员表示，在将这项技术应用于现代相机之前，研究人员必须解决色差问题。倪说，研究人员正在探索可见光范围内的设计，并将补偿包括色差在内的各种光学像差。

这项研究发表在《纳米快报》(www.doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03561)上。