Des scientifiques de Harvard ont créé un verre métallique révolutionnaire de 10 centimètres, utilisant une nanofabrication avancée pour capturer des images haute résolution des corps célestes. Ces lentilles métalliques à grande échelle, adaptées à la production de masse, ouvrent de nouvelles possibilités dans les sciences spatiales et les télécommunications, démontrant des performances d’imagerie comparables à celles des lentilles traditionnelles. Ci-dessus, une image de la Lune prise par les métalens depuis le toit d’un immeuble à Cambridge, dans le Massachusetts. Crédit : Capasso Lab/Harvard SEAS
Le grand métal entièrement en verre capture des images du soleil, de la lune et des nébuleuses.
Les métalenses ont été utilisées pour imager les caractéristiques microscopiques des tissus et résoudre des détails plus petits qu’une longueur d’onde de la lumière. Maintenant, ils grossissent.
Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un verre métallique de 10 centimètres de diamètre capable d’imager le soleil, la lune et les nébuleuses lointaines avec une haute résolution. Il s’agit du premier métal en verre à grande échelle dans la longueur d’onde visible qui peut être produit en série à l’aide de la technologie de fabrication CMOS conventionnelle.
La recherche a été récemment publiée dans la revue ACS Nano.
Percée dans la nanofabrication
« La capacité de contrôler avec précision la taille de dizaines de milliards de nanopiliers sur une lentille plate d’une taille sans précédent en utilisant des procédés de fonderie de semi-conducteurs de pointe est une prouesse de nanofabrication qui ouvre de nouvelles opportunités passionnantes pour la science et la technologie spatiales », a déclaré Federico Capasso. , professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS et auteur principal de l’article.
La plupart des lentilles métalliques plates, qui utilisent des millions de nanostructures en forme de pilier pour focaliser la lumière, ont à peu près la taille d’un morceau de paillettes. En 2019, Capasso et son équipe ont développé un métal à l’échelle centimétrique en utilisant une technique appelée lithographie par projection ultraviolette profonde (DUV), qui projette et forme un motif de nanostructure qui peut être directement gravé dans la plaquette de verre, éliminant ainsi l’écriture fastidieuse et processus de dépôt qui étaient requis pour les métalenses précédents.
Image de la nébuleuse de l’Amérique du Nord, dans la constellation du Cygne, prise par les métalens sur le toit du Science Center de Cambridge. Crédit : Capasso Lab/Harvard SEAS
La lithographie par projection DUV est couramment utilisée pour dessiner des lignes et des formes fines dans les puces de silicium destinées aux smartphones et aux ordinateurs. Joon-Suh Park, ancien étudiant diplômé de SEAS et actuel chercheur postdoctoral dans l’équipe de Capasso, a démontré que la technique pouvait non seulement être utilisée pour produire en masse des lentilles métalliques, mais également augmenter leur taille pour des applications en réalité virtuelle et augmentée.
Mais rendre les métaux encore plus grands pour des applications en astronomie et en communications optiques en espace libre posait un problème d’ingénierie.
Surmonter les défis d’ingénierie
« Il existe une limitation majeure avec l’outil de lithographie car ces outils sont utilisés pour fabriquer des puces informatiques, la taille des puces est donc limitée à 20 à 30 millimètres maximum », a déclaré Park, co-premier auteur de l’article. « Afin de fabriquer un objectif de 100 millimètres de diamètre, nous devions trouver un moyen de contourner cette limitation. »
Park et l’équipe ont développé une technique permettant d’assembler plusieurs modèles de nanopiliers à l’aide de l’outil de lithographie par projection DUV. En divisant la lentille en 25 sections mais en utilisant uniquement les 7 sections d’un quadrant en tenant compte de la symétrie de rotation, les chercheurs ont montré que la lithographie par projection DUV pouvait modeler 18,7 milliards de nanostructures conçues sur une zone circulaire de 10 centimètres en quelques minutes. L’équipe a également développé une technique de gravure verticale du verre qui permet la création de nanopiliers à paroi latérale lisse et à rapport d’aspect élevé gravés dans le verre.
« En utilisant la même lithographie par projection DUV, on pourrait produire des méta-optiques de grand diamètre corrigeant les aberrations ou des lentilles encore plus grandes sur des tranches de verre de plus grand diamètre, à mesure que les outils de fonderie CMOS correspondants deviennent de plus en plus disponibles dans l’industrie », a déclaré Soon Wei Daniel Lim, chercheur postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’article.
Ce métal en verre de 10 centimètres de diamètre peut imager le soleil, la lune et les nébuleuses lointaines avec une haute résolution. Crédit : Capasso Lab/Harvard SEAS
Lim a joué un rôle de premier plan dans la simulation et la caractérisation complètes de toutes les erreurs de fabrication possibles pouvant survenir lors des processus de fabrication de masse et dans leur impact sur les performances optiques des lentilles métalliques.
Après avoir relevé d’éventuels défis de fabrication, les chercheurs ont démontré le pouvoir des métaux dans l’imagerie des objets célestes.
Démonstration des capacités du Metalens
Montant les métaux sur un trépied doté d’un filtre couleur et d’un capteur de caméra, Park et l’équipe se sont rendus sur le toit du Science Center de Harvard. Là, ils ont photographié le Soleil, la Lune et la nébuleuse de l’Amérique du Nord, une faible nébuleuse située dans la constellation du Cygne, à environ 2 590 années-lumière.
« Nous avons pu obtenir des images très détaillées du Soleil, de la Lune et de la nébuleuse, comparables aux images prises par des objectifs conventionnels », a déclaré Arman Amirzhan, étudiant diplômé du Capasso Lab et co-auteur de l’article.
En utilisant uniquement les métaux, les chercheurs ont pu imager le même amas de taches solaires qu’un NASA image prise le même jour.
L’équipe a également démontré que l’objectif pouvait survivre à une exposition à une chaleur extrême, à un froid extrême et aux vibrations intenses qui se produiraient lors d’un lancement spatial sans aucun dommage ni perte de performances optiques.
En raison de sa taille et de la composition de son verre monolithique, la lentille pourrait également être utilisée pour les applications de télécommunications à longue portée et de transport d’énergie dirigé.
La recherche a été soutenue par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Bourse n° HR00111810001 et Bureau de la recherche scientifique de l’Armée de l’Air sous la bourse n° FA9550-22-1-0312.
