徹底改變太空成像  哈佛大學創造出第一個大型玻璃超透鏡

編譯／高晟鈞

超級鏡頭已經被用於觀測生物組織一段時間，以用於解析小於光波長的細節。現在他們將變得更龐大。哈佛大學研究人員開發了一種直徑10公分的玻璃超透鏡，可以對太陽、月亮和遙遠的星雲進行高解析度的成像，它也將成為第一個可見波長範圍內的全玻璃大型透鏡，並能以傳統CMOS工藝進行量產。

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奈米製造的突破

自1980年代以來，科學壓在零維奈米材料的研究已經獲得相當大的進展，但是在一維方面，因為幾何形態的不同與內部結構的特殊，其研究與製備過程面臨巨大的挑戰。

一維奈米材料大致可以分為4種：奈米管、奈米線、奈米柱與奈米帶。作者Federico Capasso表示，利用最先進的半導體工藝，在前所未有的大平面透鏡上精確控制數百億奈米柱的尺寸是一項壯舉，為太空科學和技術帶來令人興奮的機會。

大多數平面超透鏡使用數百萬個柱狀奈米結構來聚焦光線，其大小約為一塊閃光片。2019年，Capasso與其團隊使用深紫外線投影光刻技術（DUV）開發了一種厘米級的超透鏡，可以投影並形成奈米結構圖案，直接蝕刻到玻璃晶圓上，從而消除了耗時的寫入和繪製過程與沉積過程。

克服工程挑戰

光刻工具有一個巨大限制，因為這些工具用於製造電腦晶片，因此晶片尺寸須限制在20至30毫米。為了製造100毫米的鏡頭，研究團隊使用DUV技術將多種奈米柱圖案縫合在一起，並分為25個部分。但考慮到旋轉對稱性，只採用象限中的7個部分。

DUV可以在幾分鐘內將187億個奈米結構圖案化到10公分的圓形區域中，配合一種特殊的垂直玻璃蝕刻技術，研究團隊得以在玻璃中蝕刻出高縱橫比、光滑側壁的奈米柱。

Metalens的功能

研究團隊將超透鏡安裝在帶有顏色濾鏡和相機感測器的腳架上，並拍攝出了太陽、月亮和北美星雲的詳細圖像。僅使用超透鏡，研究人員就可以拍攝與美國太空總署當天拍攝相同的太陽黑子簇影像。

此外，該鏡頭還可以承受極熱、極冷的溫度，以及太空梭發射期間的強烈震動，並維持同樣的性能表現，其尺寸和單片玻璃成分使該透鏡也可用於遠端電信和定向能量傳輸應用。

資料來源:Scitechdaily

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