Maar het nog groter maken van de metalens voor toepassingen in de astronomie en optische communicatie in de vrije ruimte vormde een technisch probleem.

"Er is een grote beperking aan de lithografietool omdat deze tools worden gebruikt om computerchips te maken, dus de chipgrootte is beperkt tot niet meer dan 20 tot 30 millimeter", zegt Park, co-eerste auteur van het artikel. "Om een ​​lens met een diameter van 100 millimeter te maken, moesten we een manier vinden om deze beperking te omzeilen."

Park en het team ontwikkelden een techniek om verschillende patronen van nanopilaren aan elkaar te naaien met behulp van de DUV-projectielithografietool. Door de lens in 25 secties te verdelen, maar alleen de zeven secties van een kwadrant te gebruiken, rekening houdend met de rotatiesymmetrie, toonden de onderzoekers aan dat DUV-projectielithografie in slechts enkele minuten 18,7 miljard ontworpen nanostructuren op een cirkelvormig gebied van 10 centimeter kon aanbrengen.

Het team heeft ook een verticale glasetstechniek ontwikkeld waarmee nanopijlers met een hoge aspectverhouding en gladde zijwanden in glas kunnen worden geëtst.

"Met behulp van dezelfde DUV-projectielithografie zou men aberratie-corrigerende meta-optica met een grote diameter of zelfs grotere lenzen kunnen produceren op wafers met een grotere glasdiameter, aangezien de overeenkomstige CMOS-gieterijgereedschappen steeds vaker beschikbaar komen in de industrie", zegt Soon Wei Daniel Lim, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel.

Lim speelde een leidende rol in de volledige simulatie en karakterisering van alle mogelijke fabricagefouten die zouden kunnen optreden tijdens massaproductieprocessen en hoe deze de optische prestaties van metalenses zouden kunnen beïnvloeden.

Nadat ze mogelijke productie-uitdagingen hadden aangepakt, demonstreerden de onderzoekers de kracht van de metalens bij het afbeelden van hemellichamen.

Park en het team plaatsten de metalen op een statief met een kleurenfilter en camerasensor en gingen naar het dak van het Science Center van Harvard. Daar brachten ze de zon, de maan en de Noord-Amerikaanse nevel in beeld, een vage nevel in het sterrenbeeld Cygnus op ongeveer 2590 lichtjaar afstand.

"We hebben zeer gedetailleerde beelden van de zon, de maan en de nevel kunnen maken die vergelijkbaar zijn met beelden gemaakt met conventionele lenzen", zegt Arman Amirzhan, een afgestudeerde student aan het Capasso Lab en co-auteur van het artikel. P>

Met alleen de metalens konden de onderzoekers hetzelfde cluster van zonnevlekken in beeld brengen als een NASA-opname die dezelfde dag werd gemaakt.

Het team heeft ook aangetoond dat de lens blootstelling aan extreme hitte, extreme kou en de intense trillingen die optreden tijdens een ruimtelancering kan overleven zonder enige schade of verlies aan optische prestaties.

Vanwege zijn formaat en monolithische glassamenstelling zou de lens ook kunnen worden gebruikt voor langeafstandstelecommunicatie en toepassingen voor gericht energietransport.

Meer informatie: Joon-Suh Park et al., Volledig glazen zichtbare metalen met een diameter van 100 mm voor beeldvorming van de kosmos, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09462

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences