哈佛大学研制出大尺寸玻璃金属膜 用于捕捉天体的高分辨率图像
金属镀膜透镜已被用于对组织的微观特征进行成像，并能分辨比光波长更小的细节。现在，它们的应用范围更大了。哈佛大学约翰-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为 10 厘米的玻璃金属膜，可以高分辨率地拍摄太阳、月球和遥远星云的图像。这是第一款在可见光波段可以使用传统 CMOS 制造技术批量生产的全玻璃大型金属膜。
哈佛大学的科学家们利用先进的纳米制造技术，创造出一种突破性的 10 厘米玻璃金属膜，用于捕捉天体的高分辨率图像。这种适合大规模生产的大型金属膜为空间科学和电信领域带来了新的可能性，其成像性能可与传统镜头媲美。上图是 metalens 从马萨诸塞州剑桥市一栋大楼的屋顶拍摄的月球图像。图片来源：Capasso 实验室/哈佛 SEAS
这项研究最近发表在《ACS Nano》杂志上。
纳米加工技术的突破
"利用最先进的半导体代工工艺在一个前所未有的大平面透镜上精确控制数百亿纳米柱尺寸的能力是一项纳米制造壮举，它为空间科学和技术带来了令人兴奋的新机遇，"SEAS应用物理学罗伯特-L-华莱士（Robert L. Wallace）教授兼电气工程文顿-海斯（Vinton Hayes）高级研究员、该论文的资深作者费德里科-卡帕索（Federico Capasso）说。
大多数平面金属透镜利用数百万个柱状纳米结构聚焦光线，其大小与一块闪粉差不多。2019 年，卡帕索和他的团队利用一种名为深紫外（DUV）投影光刻的技术开发出了厘米级的金属透镜，这种技术可以投影形成纳米结构图案，直接蚀刻到玻璃晶片上，省去了以往金属透镜所需的耗时的写入和沉积过程。
剑桥科学中心屋顶的 metalens 拍摄的天鹅座北美星云图像。图片来源：Capasso 实验室/哈佛 SEAS
紫外投影光刻技术通常用于在智能手机和计算机的硅芯片上绘制精细的线条和形状。曾在 SEAS 就读研究生、现为 Capasso 团队博士后的 Joon-Suh Park 证明，该技术不仅可用于批量生产金属透镜，还能增大其尺寸，以应用于虚拟现实和增强现实。
但是，要将金属膜做得更大，以便应用于天文学和自由空间光通信，这就带来了一个工程问题。
克服工程挑战
"光刻工具有一个很大的局限性，因为这些工具是用来制造计算机芯片的，所以芯片尺寸被限制在不超过20至30毫米，"论文共同第一作者Park说。"为了制造直径为 100 毫米的透镜，我们需要找到一种绕过这一限制的方法"。
Park 和研究小组开发出了一种利用 DUV 投影光刻工具拼接多个纳米柱图案的技术。研究人员将透镜分为 25 个部分，但考虑到旋转对称性，只使用一个象限的 7 个部分，结果表明 DUV 投影光刻技术可以在几分钟内将 187 亿个设计好的纳米结构图案刻画到 10 厘米的圆形区域上。研究小组还开发了一种垂直玻璃蚀刻技术，可以在玻璃上蚀刻出高纵横比、光滑侧壁的纳米柱。
SEAS 博士后研究员、论文共同第一作者 Soon Wei Daniel Lim 说："使用相同的 DUV 投射光刻技术，我们可以在更大的玻璃直径晶片上生产大直径、像差校正元光学器件或更大的透镜，因为相应的 CMOS 制造工具在业内越来越多。"
这种直径为 10 厘米的玻璃金属镜片能以高分辨率拍摄太阳、月亮和遥远星云的图像。图片来源：Capasso 实验室/哈佛大学 SEAS
Lim 在全面模拟和描述大规模制造过程中可能出现的所有制造误差以及这些误差如何影响金属透镜的光学性能方面发挥了主导作用。
在解决了可能存在的制造难题后，研究人员展示了金属膜在天体成像方面的强大功能。
Park 和研究小组将 metalens 安装在带有彩色滤光片和相机传感器的三脚架上，然后登上哈佛大学科学中心的屋顶。在那里，他们拍摄了太阳、月球和北美星云的图像，北美星云是天鹅座的一个暗星云，距离地球约 2590 光年。
卡帕索实验室的研究生、论文合著者阿尔曼-阿米尔詹（Arman Amirzhan）说："我们能够获得非常详细的太阳、月球和星云图像，这些图像可与传统镜头拍摄的图像相媲美。"
研究人员仅使用金属镜片，就能拍摄到与美国国家航空航天局当天拍摄的图像相同的太阳黑子群。这种透镜可以经受住极热、极冷和航天发射过程中的剧烈振动，而不会出现任何损坏或光学性能下降。由于其尺寸和单片玻璃成分，该透镜还可用于远距离电信和定向能量传输应用。
编译来源：ScitechDaily
