集成金属材料用于月球表面成像

近日，宾夕法尼亚大学团队已经开发出一种可以延展到放入望远镜的金属材料，并利用这种光学材料制备金属望远镜，用以成像月球表面。实验表明，在近红外范围内，该金属材料的焦斑尺寸接近衍射极限，在1450 nm处聚焦效率高达80.84%。

此外，该团队称，尽管金属透镜应用前景较广，但使用传统制造方法设计的器件孔径限制了它们在望远镜等实用光学器件上的应用。宾夕法尼亚大学的金属材料直径为8厘米，比大多数先前开发的功能性金属材料（以毫米为单位）都要大。

图1 （左起）宾夕法尼亚州立大学电气工程系研究生Lidan Zhang、Shengyuan Chang、Md Tarek Rahman，以及Penn State副教授展示了平坦、集成的金属配件，这些金属放入望远镜后可以对月球表面进行成像。（图片来源：Jeff Xu/Penn State）

金属透镜通常使用电子束曝光，其中一束聚焦的电子束被扫描到一块玻璃或其它透明基板上，逐点产生类似天线的图案。然而，由于每个扫描点会耗时和低通量，所以，电子束的扫描过程限制了透镜尺寸。

为了制造更大的透镜，研究小组使用了深紫外光刻技术。

据宾夕法尼亚州立大学电气工程系和计算机科学与工程系Xingjie Ni副教授介绍，这种高通量、高产量的工艺可用在几秒钟内生产大量电脑芯片。

“我们发现这是一个很好的金属制作方法，因为它允许更大的图案尺寸，同时仍然保持微小细节，这使得金属镜头更精细，”倪说。

研究人员用他们自己的新方法改进了这种方法，称为旋转晶圆和缝合。他们把制造金属的晶圆分成四个象限，进一步分成22 × 22毫米的区域，这些区域比标准的邮票小。他们使用深紫外光刻机，通过投影透镜将图案投影到一个象限上，然后将透镜旋转90 ° 再投影。他们重复这个旋转，直到四个象限都绘制出图案。

“由于金属的旋转对称性，包含每个象限的模式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。“这降低了该方法的制造成本和环境成本。”

图2 电子工程系研究人员利用他们的大口径金属望远镜捕捉到了月球表面的图像。（图片来源：Xingjie Ni）

随着金属尺寸的增加，图案处理量显著增大，这将需要较长的时间才能进行深紫外光刻机的处理。为了克服这个问题，研究人员使用数据近似和引用非唯一数据压缩文件。

“我们利用一切可能的方法来减少文件大小，”Ni说。“我们确定了相同的数据点，并参考了现有的数据点，逐渐减少数据，直到我们有了一个可用的文件发送到机器上，以创建金属。”

利用这种新型制作方法，该团队开发了一种单透镜望远镜，捕捉到了清晰的月球表面图像，比以前的金属透镜获得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团队称，在这项技术应用于现代相机之前，研究人员必须解决色差的问题。Ni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。

以上研究成果已发表在期刊《Nano Letters》上。

[1] Zhang L, Chang S, Chen X, et al. High-Efficiency, 80 mm Aperture metalens Telescope[J]. Nano Letters, 2022.

新闻链接：

https://www.photonics.com/Articles/Large-Aperture_metalens_Images_Lunar_Surface/a68822