Metalenses têm sido usados ​​para criar imagens de características microscópicas de tecidos e resolver detalhes menores que um comprimento de onda de luz. Agora eles estão ficando maiores.



Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson desenvolveram vidro metalens de 10 centímetros de diâmetro que pode gerar imagens do Sol, da Lua e de nebulosas distantes com alta resolução. É o primeiro metalens de grande escala totalmente em vidro no comprimento de onda visível que pode ser produzido em massa usando a tecnologia convencional de fabricação CMOS.

A pesquisa está publicada no ACS Nano .

"A capacidade de controlar com precisão o tamanho de dezenas de bilhões de nanopilares sobre uma lente plana sem precedentes, usando processos de fundição de semicondutores de última geração, é um feito de nanofabricação que abre novas e excitantes oportunidades para a ciência e tecnologia espacial", disse Federico Capasso. , o Professor Robert L. Wallace de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica no SEAS e autor sênior do artigo.

A maioria das metalenses planas, que usam milhões de nanoestruturas semelhantes a pilares para focar a luz, têm aproximadamente o tamanho de um pedaço de glitter. Em 2019, Capasso e sua equipe desenvolveram metalens em escala centimétrica usando uma técnica chamada litografia de projeção ultravioleta profunda (DUV), que projeta e forma um padrão de nanoestrutura que pode ser gravado diretamente na pastilha de vidro, eliminando a demorada escrita e processos de deposição que eram necessários para metalenses anteriores.

A litografia de projeção DUV é comumente usada para padronizar linhas finas e formas em chips de silício para smartphones e computadores. Joon-Suh Park, ex-aluno de pós-graduação da SEAS e atual pós-doutorado na equipe de Capasso, demonstrou que a técnica poderia não apenas ser usada para produzir metalenses em massa, mas também aumentar seu tamanho para aplicações em realidade virtual e aumentada.

Mas tornar as metalens ainda maiores para aplicações em astronomia e comunicações ópticas no espaço livre representava um problema de engenharia.

“Há uma grande limitação com a ferramenta de litografia porque essas ferramentas são usadas para fabricar chips de computador, então o tamanho do chip é restrito a não mais que 20 a 30 milímetros”, disse Park, co-autor do artigo. "Para fazer uma lente com 100 milímetros de diâmetro, precisávamos encontrar uma maneira de contornar essa limitação."

Park e a equipe desenvolveram uma técnica para unir vários padrões de nanopilares usando a ferramenta de litografia de projeção DUV. Ao dividir a lente em 25 seções, mas usando apenas as sete seções de um quadrante, considerando a simetria rotacional, os pesquisadores mostraram que a litografia de projeção DUV poderia padronizar 18,7 bilhões de nanoestruturas projetadas em uma área circular de 10 centímetros em questão de minutos.

A equipe também desenvolveu uma técnica de gravação vertical em vidro que permite a criação de nanopilares de parede lateral lisa e de alta proporção gravados em vidro.

"Usando a mesma litografia de projeção DUV, pode-se produzir metaópticas de grande diâmetro com correção de aberrações ou lentes ainda maiores em wafers de vidro de maior diâmetro, à medida que as ferramentas de fundição CMOS correspondentes se tornam cada vez mais disponíveis na indústria", disse Soon Wei Daniel Lim, pós-doutorado na SEAS e coautor do artigo.

Lim desempenhou um papel importante na simulação e caracterização completa de todos os possíveis erros de fabricação que poderiam surgir durante os processos de fabricação em massa e como eles poderiam impactar o desempenho óptico das metalenses.

Depois de abordar possíveis desafios de fabricação, os pesquisadores demonstraram o poder dos metalens na imagem de objetos celestes.

Montando as metalens em um tripé com filtro colorido e sensor de câmera, Park e a equipe subiram ao telhado do Centro de Ciências de Harvard. Lá, eles capturaram imagens do Sol, da Lua e da nebulosa da América do Norte, uma nebulosa escura na constelação de Cygnus, a cerca de 2.590 anos-luz de distância.

“Conseguimos obter imagens muito detalhadas do Sol, da Lua e da nebulosa que são comparáveis ​​às imagens obtidas com lentes convencionais”, disse Arman Amirzhan, estudante de pós-graduação no Laboratório Capasso e co-autor do artigo.

Usando apenas as metalens, os pesquisadores conseguiram obter imagens do mesmo aglomerado de manchas solares que uma imagem da NASA tirada no mesmo dia.

A equipe também demonstrou que a lente poderia sobreviver à exposição ao calor extremo, ao frio extremo e às vibrações intensas que ocorreriam durante um lançamento espacial sem qualquer dano ou perda no desempenho óptico.

Devido ao seu tamanho e composição de vidro monolítico, a lente também pode ser usada para telecomunicações de longo alcance e aplicações de transporte direcionado de energia.

Mais informações: Joon-Suh Park et al, Metalens visíveis totalmente em vidro com 100 mm de diâmetro para imagens do cosmos, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09462
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard