Astrônomos e amadores sabem que quanto maior o telescópio, mais poderosa a capacidade de imagem. Para manter o poder, mas simplificar um dos componentes mais volumosos, uma equipe de pesquisa liderada pela Penn State criou o primeiro telescópio de metalens compacto e ultrafino capaz de capturar imagens de objetos distantes, incluindo a lua.

As metalenses compreendem minúsculos padrões de superfície semelhantes a antenas que podem focar a luz para ampliar objetos distantes da mesma forma que as lentes de vidro curvo tradicionais, mas têm a vantagem de serem planas. Embora pequenas metalenses de milímetros de largura tenham sido desenvolvidas no passado, os pesquisadores escalaram o tamanho da lente para oito centímetros de diâmetro, ou cerca de quatro polegadas de largura, tornando possível o uso em grandes sistemas ópticos, como telescópios. Eles publicaram sua abordagem na Nano Letters .

“As lentes tradicionais de câmeras ou telescópios têm uma superfície curva de espessura variável, onde você tem uma protuberância no meio e bordas mais finas, o que faz com que as lentes sejam volumosas e pesadas”, disse o autor correspondente Xingjie Ni, professor associado de engenharia elétrica e computação ciência na Penn State. "Metalenses usam nanoestruturas nas lentes em vez de curvatura para contornar a luz, o que permite que fiquem planas."

Essa é uma das razões, disse Ni, de que as lentes das câmeras dos celulares modernos se projetam do corpo do telefone: a espessura das lentes ocupa espaço, embora pareçam planas, pois estão escondidas atrás de uma janela de vidro.

Metalenses são normalmente feitos usando litografia de feixe de elétrons , que envolve a varredura de um feixe de elétrons focado em um pedaço de vidro ou outro substrato transparente, para criar padrões semelhantes a antenas ponto a ponto. No entanto, o processo de varredura do feixe de elétrons limita o tamanho da lente que pode ser criada, pois a varredura de cada ponto é demorada e tem baixo rendimento.

Para criar uma lente maior, os pesquisadores adaptaram um método de fabricação conhecido como fotolitografia ultravioleta profunda (DUV), que é comumente usado para produzir chips de computador.

"A fotolitografia DUV é um processo de alto rendimento e alto rendimento que pode produzir muitos chips de computador em segundos", disse Ni. "Descobrimos que este é um bom método de fabricação para metalenses porque permite tamanhos de padrão muito maiores, mantendo pequenos detalhes, o que permite que a lente funcione de forma eficaz."

Os pesquisadores modificaram o método com seu próprio procedimento inovador, chamado bolacha rotativa e costura. Os pesquisadores dividiram a bolacha, na qual o metalens foi fabricado, em quatro quadrantes, que foram divididos em regiões de 22 por 22 milímetros – menores que um selo postal padrão. Usando uma máquina de litografia DUV na Cornell University, eles projetaram um padrão em um quadrante através de lentes de projeção, que então giraram 90 graus e projetaram novamente. Eles repetiram a rotação até que todos os quatro quadrantes estivessem padronizados.

"O processo é econômico porque as máscaras contendo os dados do padrão para cada quadrante podem ser reutilizadas devido à simetria de rotação dos metais", disse Ni. "Isso reduz os custos de fabricação e ambientais do método."

À medida que o tamanho dos metalens aumentou, os arquivos digitais necessários para processar os padrões tornaram-se significativamente maiores, o que levaria muito tempo para a máquina de litografia DUV processar. Para superar esse problema, os pesquisadores compactaram os arquivos usando aproximações de dados e referenciando dados não exclusivos.

"Utilizamos todos os métodos possíveis para reduzir o tamanho do arquivo", disse Ni. "Identificamos pontos de dados idênticos e referenciamos os existentes, reduzindo gradualmente os dados até termos um arquivo utilizável para enviar à máquina para criar os metalens."

Usando o novo método de fabricação, os pesquisadores desenvolveram um telescópio de lente única e capturaram imagens claras da superfície lunar – alcançando maior resolução de objetos e distância de imagem muito maior do que os metalenses anteriores. Antes que a tecnologia possa ser aplicada a câmeras modernas, no entanto, os pesquisadores devem abordar a questão da aberração cromática, que causa distorção e desfoque na imagem quando diferentes cores de luz, que se curvam em diferentes direções, entram em uma lente.

"Estamos explorando designs menores e mais sofisticados na faixa visível e compensaremos várias aberrações ópticas, incluindo aberração cromática", disse Ni.