Metalense telah digunakan untuk menggambarkan fitur mikroskopis jaringan dan menyelesaikan detail yang lebih kecil dari panjang gelombang cahaya. Sekarang mereka menjadi lebih besar.
Para peneliti di Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) telah mengembangkan kaca metalen berdiameter 10 sentimeter yang dapat menggambarkan matahari, bulan, dan nebula jauh dengan resolusi tinggi. Ini adalah logam berskala besar pertama yang seluruhnya terbuat dari kaca dalam panjang gelombang tampak yang dapat diproduksi secara massal menggunakan teknologi fabrikasi CMOS konvensional.
Penelitian ini dipublikasikan di ACS Nano.
“Kemampuan untuk secara akurat mengontrol ukuran puluhan miliar nanopilar pada lensa datar besar yang belum pernah terjadi sebelumnya menggunakan proses pengecoran semikonduktor yang canggih adalah prestasi nanofabrikasi yang membuka peluang baru yang menarik bagi ilmu pengetahuan dan teknologi luar angkasa,” kata Federico Capasso. , Profesor Fisika Terapan Robert L. Wallace dan Peneliti Senior Vinton Hayes di bidang Teknik Elektro di SEAS dan penulis senior makalah ini.
Kebanyakan logam datar, yang menggunakan jutaan struktur nano seperti pilar untuk memfokuskan cahaya, berukuran sebesar sepotong kilau. Pada tahun 2019, Capasso dan timnya mengembangkan metalens berskala sentimeter menggunakan teknik yang disebut litografi proyeksi ultraviolet dalam (DUV), yang memproyeksikan dan membentuk pola struktur nano yang dapat langsung terukir pada wafer kaca, menghilangkan proses penulisan dan deposisi yang memakan waktu yang diperlukan untuk metalense sebelumnya.
Litografi proyeksi DUV biasanya digunakan untuk membuat pola garis-garis halus dan bentuk pada chip silikon untuk ponsel pintar dan komputer. Joon-Suh Park, mantan mahasiswa pascasarjana di SEAS dan rekan postdoctoral di tim Capasso, menunjukkan bahwa teknik ini tidak hanya dapat digunakan untuk memproduksi metalense secara massal tetapi juga meningkatkan ukurannya untuk aplikasi dalam virtual dan augmented reality.
Namun membuat logam menjadi lebih besar untuk aplikasi dalam astronomi dan komunikasi optik ruang bebas menimbulkan masalah teknis.
“Ada batasan besar pada alat litografi karena alat ini digunakan untuk membuat chip komputer, sehingga ukuran chip dibatasi tidak lebih dari 20 hingga 30 milimeter,” kata Park, salah satu penulis makalah tersebut. “Untuk membuat lensa berdiameter 100 milimeter, kami perlu mengatasi keterbatasan ini.”
Park dan tim mengembangkan teknik untuk menyatukan beberapa pola pilar nano menggunakan alat litografi proyeksi DUV. Dengan membagi lensa menjadi 25 bagian tetapi hanya menggunakan 7 bagian kuadran dengan mempertimbangkan simetri rotasi, para peneliti menunjukkan bahwa litografi proyeksi DUV dapat membentuk pola 18,7 miliar struktur nano yang dirancang ke dalam area melingkar 10 sentimeter dalam hitungan menit. Tim juga mengembangkan teknik etsa kaca vertikal yang memungkinkan terciptanya rasio aspek tinggi, nanopilar dinding samping halus yang terukir pada kaca.
“Dengan menggunakan litografi proyeksi DUV yang sama, seseorang dapat menghasilkan meta-optik berdiameter besar yang mengoreksi aberasi atau bahkan lensa yang lebih besar pada wafer berdiameter kaca yang lebih besar seiring dengan semakin tersedianya alat pengecoran CMOS di industri,” kata Soon Wei Daniel Lim. seorang rekan pascadoktoral di SEAS dan salah satu penulis pertama makalah ini.
Lim memainkan peran utama dalam simulasi penuh dan karakterisasi semua kesalahan fabrikasi yang mungkin terjadi selama proses manufaktur massal dan bagaimana kesalahan tersebut dapat berdampak pada kinerja optik metalense.
Setelah mengatasi kemungkinan tantangan manufaktur, para peneliti menunjukkan kekuatan logam dalam pencitraan benda langit.
Memasang logam pada tripod dengan filter warna dan sensor kamera, Park dan tim turun ke atap Pusat Sains Harvard. Di sana, mereka memotret Matahari, bulan, dan nebula Amerika Utara, sebuah nebula redup di konstelasi Cygnus sekitar 2.590 tahun cahaya jauhnya.
“Kami bisa mendapatkan gambar Matahari, bulan, dan nebula dengan sangat detail yang sebanding dengan gambar yang diambil dengan lensa konvensional” kata Arman Amirzhan, mahasiswa pascasarjana di Capasso Lab dan salah satu penulis makalah tersebut.
Hanya dengan menggunakan logam, para peneliti dapat mengambil gambar cluster bintik matahari yang sama dengan gambar yang diambil NASA pada hari yang sama.
Tim juga menunjukkan bahwa lensa tersebut dapat bertahan dari paparan panas ekstrem, dingin ekstrem, dan getaran intens yang terjadi selama peluncuran luar angkasa tanpa kerusakan atau hilangnya kinerja optik.
Karena ukuran dan komposisi kaca monolitiknya, lensa ini juga dapat digunakan untuk telekomunikasi jarak jauh dan aplikasi transportasi energi terarah.