Tanto los astrónomos como los aficionados saben que cuanto más grande es el telescopio, más poderosa es la capacidad de generación de imágenes. Para mantener la potencia pero optimizar uno de los componentes más voluminosos, un equipo de investigación dirigido por Penn State creó el primer telescopio de metal ultradelgado y compacto capaz de captar imágenes de objetos lejanos, incluida la Luna.
Los metalenses comprenden pequeños patrones de superficie similares a antenas que pueden enfocar la luz para ampliar objetos distantes de la misma manera que las lentes de vidrio curvas tradicionales, pero tienen la ventaja de ser planas. Aunque en el pasado se han desarrollado pequeños lentes metalenses de milímetros de ancho, los investigadores escalaron el tamaño de la lente a ocho centímetros de diámetro, o unas cuatro pulgadas de ancho, lo que hace posible su uso en grandes sistemas ópticos, como telescopios. Publicaron su enfoque en Nano Letters.
“Los lentes de las cámaras o telescopios tradicionales tienen una superficie curva de grosor variable, donde hay una protuberancia en el medio y los bordes más delgados, lo que hace que el lente sea voluminoso y pesado”, dijo el autor correspondiente Xingjie Ni, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática. ciencia en Penn State. “Los metalenses usan nanoestructuras en la lente en lugar de curvatura para contornear la luz, lo que les permite permanecer planos”.
Esa es una de las razones, dijo Ni, por las que las lentes de las cámaras de los teléfonos celulares modernos sobresalen del cuerpo del teléfono: el grosor de las lentes ocupa espacio, aunque parecen planas ya que están ocultas detrás de una ventana de vidrio.
Los metalenses generalmente se fabrican mediante litografía por haz de electrones, que implica escanear un haz de electrones enfocado en una pieza de vidrio u otro sustrato transparente, para crear patrones similares a antenas punto por punto. Sin embargo, el proceso de escaneo del haz de electrones limita el tamaño de la lente que se puede crear, ya que escanear cada punto requiere mucho tiempo y tiene un bajo rendimiento.
Para crear una lente más grande, los investigadores adaptaron un método de fabricación conocido como fotolitografía ultravioleta profunda (DUV), que se usa comúnmente para producir chips de computadora.
“La fotolitografía DUV es un proceso de alto rendimiento y alto rendimiento que puede producir muchos chips de computadora en segundos”, dijo Ni. “Encontramos que este es un buen método de fabricación para metalenses porque permite tamaños de patrón mucho más grandes y al mismo tiempo mantiene pequeños detalles, lo que permite que la lente funcione de manera efectiva”.
Los investigadores modificaron el método con su propio procedimiento novedoso, llamado oblea giratoria y costura. Los investigadores dividieron la oblea, en la que se fabricó el metalens, en cuatro cuadrantes, que se dividieron en regiones de 22 por 22 milímetros, más pequeñas que un sello postal estándar. Usando una máquina de litografía DUV en la Universidad de Cornell, proyectaron un patrón en un cuadrante a través de lentes de proyección, que luego giraron 90 grados y proyectaron nuevamente. Repitieron la rotación hasta que los cuatro cuadrantes formaron un patrón.
“El proceso es rentable porque las máscaras que contienen los datos de patrones para cada cuadrante se pueden reutilizar debido a la simetría de rotación de los metales”, dijo Ni. “Esto reduce los costos ambientales y de fabricación del método”.
A medida que aumentaba el tamaño de los metalens, los archivos digitales necesarios para procesar los patrones se hicieron significativamente más grandes, lo que llevaría mucho tiempo para que la máquina de litografía DUV los procesara. Para superar este problema, los investigadores comprimieron los archivos utilizando aproximaciones de datos y haciendo referencia a datos no únicos.
“Utilizamos todos los métodos posibles para reducir el tamaño del archivo”, dijo Ni. “Identificamos puntos de datos idénticos y referenciamos los existentes, reduciendo gradualmente los datos hasta que tuvimos un archivo utilizable para enviar a la máquina para crear los metalens”.
Usando el nuevo método de fabricación, los investigadores desarrollaron un telescopio de lente única y capturaron imágenes claras de la superficie lunar, logrando una mayor resolución de los objetos y una distancia de imagen mucho mayor que los metalenses anteriores. Sin embargo, antes de que la tecnología pueda aplicarse a las cámaras modernas, los investigadores deben abordar el problema de la aberración cromática, que provoca distorsión y borrosidad de la imagen cuando diferentes colores de luz, que se curvan en diferentes direcciones, ingresan a una lente.
“Estamos explorando diseños más pequeños y más sofisticados en el rango visible y compensaremos varias aberraciones ópticas, incluida la aberración cromática”, dijo Ni.
Con información de ACS
