Les astronomes et les amateurs savent que plus le télescope est grand, plus la capacité d’imagerie est puissante. Pour conserver la puissance mais rationaliser l’un des composants les plus volumineux, une équipe de recherche dirigée par l’État de Pennsylvanie a créé le premier télescope ultra-mince et compact en métal capable d’imager des objets lointains, y compris la lune.
Les lentilles métalliques comprennent de minuscules motifs de surface semblables à des antennes qui peuvent focaliser la lumière pour grossir des objets distants de la même manière que les lentilles en verre incurvées traditionnelles, mais elles ont l’avantage d’être plates. Bien que de petites lentilles métalliques de plusieurs millimètres de large aient été développées dans le passé, les chercheurs ont réduit la taille de la lentille à huit centimètres de diamètre, soit environ quatre pouces de large, ce qui a permis de l’utiliser dans de grands systèmes optiques, tels que des télescopes. Ils ont publié leur approche dans Nano-lettres.
« Les lentilles d’appareil photo ou de télescope traditionnelles ont une surface incurvée d’épaisseur variable, où vous avez une bosse dans les bords moyens et plus fins, ce qui rend la lentille volumineuse et lourde », a déclaré l’auteur correspondant Xingjie Ni, professeur agrégé de génie électrique et d’informatique. sciences à Penn State. « Les Metalenses utilisent des nano-structures sur la lentille au lieu de la courbure pour contourner la lumière, ce qui leur permet de rester à plat. »
C’est l’une des raisons pour lesquelles, selon Ni, les objectifs des appareils photo des téléphones portables modernes dépassent du corps du téléphone : l’épaisseur des objectifs prend de la place, bien qu’ils semblent plats car ils sont cachés derrière une vitre.
Les métalenses sont généralement fabriqués à l’aide de la lithographie par faisceau d’électrons, qui consiste à balayer un faisceau focalisé d’électrons sur un morceau de verre ou un autre substrat transparent, pour créer point par point des motifs de type antenne. Cependant, le processus de balayage du faisceau d’électrons limite la taille de la lentille qui peut être créée, car le balayage de chaque point prend du temps et a un faible débit.
Pour créer une lentille plus grande, les chercheurs ont adapté une méthode de fabrication connue sous le nom de photolithographie ultraviolette profonde (DUV), qui est couramment utilisée pour produire des puces informatiques.
« La photolithographie DUV est un processus à haut débit et à haut rendement qui peut produire de nombreuses puces informatiques en quelques secondes », a déclaré Ni. « Nous avons trouvé que c’était une bonne méthode de fabrication pour les lentilles métalliques car elle permet des tailles de motifs beaucoup plus grandes tout en conservant de petits détails, ce qui permet à la lentille de fonctionner efficacement. »
Les chercheurs ont modifié la méthode avec leur propre nouvelle procédure, appelée plaquette rotative et couture. Les chercheurs ont divisé la plaquette, sur laquelle le métalène a été fabriqué, en quatre quadrants, qui ont ensuite été divisés en régions de 22 sur 22 millimètres, plus petites qu’un timbre-poste standard. À l’aide d’une machine de lithographie DUV à l’Université Cornell, ils ont projeté un motif sur un quadrant à travers des lentilles de projection, qu’ils ont ensuite tournées de 90 degrés et projetées à nouveau. Ils ont répété la rotation jusqu’à ce que les quatre quadrants soient modelés.
« Le processus est rentable car les masques contenant les données de modèle pour chaque quadrant peuvent être réutilisés en raison de la symétrie de rotation des métalens », a déclaré Ni. « Cela réduit les coûts de fabrication et environnementaux de la méthode. »
Au fur et à mesure que la taille des métalènes augmentait, les fichiers numériques nécessaires pour traiter les motifs devenaient beaucoup plus volumineux, ce qui prendrait beaucoup de temps à traiter par la machine de lithographie DUV. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont compressé les fichiers en utilisant des approximations de données et en référençant des données non uniques.
« Nous avons utilisé toutes les méthodes possibles pour réduire la taille du fichier », a déclaré Ni. « Nous avons identifié des points de données identiques et référencé ceux qui existent, réduisant progressivement les données jusqu’à ce que nous ayons un fichier utilisable à envoyer à la machine pour créer les métalens. »
En utilisant la nouvelle méthode de fabrication, les chercheurs ont développé un télescope à lentille unique et capturé des images claires de la surface lunaire, obtenant une plus grande résolution des objets et une distance d’imagerie beaucoup plus grande que les métallens précédents. Cependant, avant que la technologie puisse être appliquée aux appareils photo modernes, les chercheurs doivent résoudre le problème de l’aberration chromatique, qui provoque une distorsion et un flou de l’image lorsque différentes couleurs de lumière, qui se plient dans des directions différentes, pénètrent dans un objectif.
« Nous explorons des conceptions plus petites et plus sophistiquées dans la gamme visible, et compenserons diverses aberrations optiques, y compris l’aberration chromatique », a déclaré Ni.
En plus de Ni, les coauteurs incluent Lidan Zhang, Shengyuan Chang, Xi Chen, Yimin Ding, Md Tarek Rahman et Yao Duan, tous étudiants diplômés actuels ou anciens de Penn State en génie électrique. Mark Stephen, du NASA-Goddard Space Flight Center, a également contribué.
Le NASA Early Career Faculty Award, l’Office of Naval Research des États-Unis et la National Science Foundation ont soutenu ce travail.
