金屬鍍膜透鏡已被用於對組織的微觀特徵進行成像，並能分辨出比光波長更小的細節。現在，它們的應用範圍更大了。哈佛大學約翰-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員開發出了一種直徑為10 公分的玻璃金屬膜，可以高解析度地拍攝太陽、月球和遙遠星雲的影像。這是第一款在可見光波段可以使用傳統CMOS 製造技術批量生產的全玻璃大型金屬薄膜。

哈佛大學的科學家利用先進的奈米製造技術，創造出突破性的10 公分玻璃金屬膜，用於捕捉天體的高解析度影像。這種適合大規模生產的大型金屬薄膜為太空科學和電信領域帶來了新的可能性，其成像性能可與傳統鏡頭媲美。上圖是metalens 從麻薩諸塞州劍橋市一棟大樓的屋頂拍攝的月球影像。圖片來源：Capasso 實驗室/哈佛SEAS

這項研究最近發表在《ACS Nano》雜誌上。

奈米加工技術的突破

“利用最先進的半導體代工製程在一個前所未有的大平面透鏡上精確控制數百億奈米柱尺寸的能力是一項奈米製造壯舉，它為太空科學和技術帶來了令人興奮的新機遇， “SEAS應用物理學羅伯特-L-華萊士（Robert L. Wallace）教授兼電機工程文頓-海斯（Vinton Hayes）高級研究員、該論文的資深作者費德里科-卡帕索（Federico Capasso）說。

大多數平面金屬透鏡利用數百萬個柱狀奈米結構聚焦光線，其大小與一塊閃粉差不多。2019 年，卡帕索和他的團隊利用一種名為深紫外線（DUV）投影光刻的技術開發出了厘米級的金屬透鏡，這種技術可以投影形成奈米結構圖案，直接蝕刻到玻璃晶片上，省去了以往金屬透鏡所需的耗時的寫入和沈積過程。

劍橋科學中心屋頂的metalens 拍攝的天鵝座北美星雲影像。圖片來源：Capasso 實驗室/哈佛SEAS

紫外線投影微影技術通常用於在智慧型手機和電腦的矽晶片上繪製精細的線條和形狀。曾在SEAS 就讀研究生、現為Capasso 團隊博士後的Joon-Suh Park 證明，該技術不僅可用於批量生產金屬透鏡，還能增大其尺寸，以應用於虛擬實境和擴增實境。

但是，要將金屬膜做得更大，以便應用於天文學和自由空間光通信，這就帶來了一個工程問題。

克服工程挑戰

“光刻工具有一個很大的局限性，因為這些工具是用來製造電腦晶片的，所以晶片尺寸被限制在不超過20至30毫米，”論文共同第一作者Park說。”為了製造直徑100 毫米的透鏡，我們需要找到一種繞過這一限制的方法”。

Park 和研究小組開發出了一種利用DUV 投影光刻工具拼接多個奈米柱圖案的技術。研究人員將透鏡分為25 個部分，但考慮到旋轉對稱性，只使用一個像限的7 個部分，結果表明DUV 投影光刻技術可以在幾分鐘內將187 億個設計好的奈米結構圖案刻畫到10 公分的圓形區域上。研究團隊還開發了一種垂直玻璃蝕刻技術，可以在玻璃上蝕刻出高縱橫比、光滑側壁的奈米柱。

SEAS 博士後研究員、論文共同第一作者Soon Wei Daniel Lim 說：”使用相同的DUV 投射光刻技術，我們可以在更大的玻璃直徑芯片上生產大直徑、像差校正元光學器件或更大的透鏡，因為相應的CMOS 製造工具在業界越來越多。”

這種直徑10 公分的玻璃金屬鏡片能以高解析度拍攝太陽、月亮和遙遠星雲的影像。圖片來源：Capasso 實驗室/哈佛大學SEAS

Lim 在全面模擬和描述大規模製造過程中可能出現的所有製造誤差以及這些誤差如何影響金屬透鏡的光學性能方面發揮了主導作用。

在解決了可能的製造難題後，研究人員展示了金屬膜在天體成像方面的強大功能。

Park 和研究團隊將metalens 安裝在帶有彩色濾光片和相機感測器的三腳架上，然後登上哈佛大學科學中心的屋頂。在那裡，他們拍攝了太陽、月球和北美星雲的圖像，北美星雲是天鵝座的一個暗星雲，距離地球約2590 光年。

卡帕索實驗室的研究生、論文合著者阿爾曼-阿米爾詹（Arman Amirzhan）說：”我們能夠獲得非常詳細的太陽、月球和星雲圖像，這些圖像可與傳統鏡頭拍攝的圖像相媲美。”

研究人員僅使用金屬鏡片，就能拍攝到與美國國家航空暨太空總署當天拍攝的影像相同的太陽黑子群。這種透鏡可以經受住極熱、極冷和航太發射過程中的劇烈振動，而不會出現任何損壞或光學性能下降。由於其尺寸和單片玻璃成分，該透鏡還可用於遠距離電信和定向能量傳輸應用。

編譯來源：ScitechDaily