Révolutionner l’imagerie spatiale : Harvard crée la première métalentille en verre à grande échelle

Patrick Lesggie

Par la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences 19 janvier 2024

Des scientifiques de Harvard ont créé une métalens en verre de 10 centimètres révolutionnaire, utilisant la nanofabrication avancée pour capturer des images haute résolution des corps célestes. Cette métalens à grande échelle, adaptée à la production de masse, ouvre de nouvelles possibilités dans les sciences de l’espace et les communications, démontrant des performances d’imagerie comparables à celles des lentilles traditionnelles. Ci-dessus, une image de la Lune prise par la métalens depuis le toit d’un bâtiment à Cambridge, MA. Crédit : Capasso Lab/Harvard SEAS

La grande métalens en verre capture des images du soleil, de la lune et des nébuleuses.

Les métalenses ont été utilisées pour imager des caractéristiques microscopiques de tissus et résoudre des détails plus petits qu’une longueur d’onde de lumière. Maintenant, elles deviennent de plus en plus grandes.

Les chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une métalens en verre d’un diamètre de 10 centimètres qui peut imager le soleil, la lune et les nébuleuses lointaines avec une haute résolution. Il s’agit de la première métalens tout en verre à grande échelle dans la longueur d’onde visible qui peut être produite en masse à l’aide de la technologie de fabrication CMOS conventionnelle.

La recherche a été récemment publiée dans la revue ACS Nano.

Progrès en nanofabrication

« La capacité de contrôler avec précision la taille de dizaines de milliards de nanopiliers sur une lentille plane d’une taille sans précédent à l’aide des processus de fonderie de semi-conducteurs de pointe est un exploit de nanofabrication qui ouvre de nouvelles opportunités passionnantes pour les sciences et la technologie spatiales », a déclaré Federico Capasso, professeur de physique appliquée Robert L. Wallace et boursier de recherche principal Vinton Hayes en génie électrique à la SEAS et auteur principal de l’article.

La plupart des métalenses 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 une métalens à l’échelle du centimètre en utilisant une technique appelée lithographie de projection en lumière ultraviolette profonde (DUV), qui projette et forme un motif de nanostructure qui peut être directement gravé dans la plaquette de verre, éliminant les processus fastidieux d’écriture et de dépôt qui étaient nécessaires pour les métalenses précédentes.

Image de la Nébuleuse de l'Amérique du Nord avec une métalens

Image de la Nébuleuse de l’Amérique du Nord dans la constellation du Cygne, prise par la métalens sur le toit du Science Center de Cambridge. Crédit : Capasso Lab/Harvard SEAS

La lithographie de projection en lumière ultraviolette profonde est couramment utilisée pour modeler de fines lignes et formes dans les puces en silicium pour smartphones et ordinateurs. Joon-Suh Park, un ancien étudiant diplômé de la SEAS et actuel boursier postdoctoral dans l’équipe de Capasso, a démontré que la technique pouvait non seulement être utilisée pour produire en masse des métalenses, mais aussi augmenter leur taille pour des applications en réalité virtuelle et augmentée.

Mais rendre la métalens encore plus grande pour des applications en astronomie et en communications optiques en espace libre posait un problème d’ingénierie.

Vaincre les défis d’ingénierie

« Il y a une limitation majeure avec l’outil de lithographie car ces outils sont utilisés pour fabriquer des puces informatiques, de sorte que la taille de la puce est limitée à 20 ou 30 millimètres », a déclaré Park, co-premier auteur de l’article. « Pour fabriquer une lentille de 100 millimètres de diamètre, nous devions trouver un moyen de contourner cette limitation. »

Park et l’équipe ont développé une technique pour assembler plusieurs motifs de nanopiliers à l’aide de l’outil de lithographie de projection en lumière ultraviolette profonde. En divisant la lentille en 25 sections mais en n’utilisant que les 7 sections d’un quadrant compte tenu de la symétrie de rotation, les chercheurs ont montré que la lithographie de projection en lumière ultraviolette profonde pouvait modeler 18,7 milliards de nanostructures conçues sur une surface circulaire de 10 centimètres en quelques minutes. L’équipe a également développé une technique de gravure de verre vertical qui permet de créer des nanopiliers à rapport hauteur/largeur élevé et à paroi latérale lisse gravés dans le verre.

« En utilisant la même lithographie de projection en lumière ultraviolette profonde, on pourrait produire de grandes métas-optiques correctrices d’aberration de grand diamètre ou même de plus grandes lentilles sur des plaquettes de plus grand diamètre en verre à mesure que les outils de fonderie CMOS correspondants deviennent de plus en plus disponibles dans l’industrie », a déclaré Soon Wei Daniel Lim, un boursier postdoctoral à la SEAS et co-premier auteur de l’article.

Grande Métalens en verre

Cette métalens 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 qui pourraient survenir au cours des processus de fabrication en série et comment elles pourraient affecter les performances optiques des métalenses.

Après avoir résolu les défis de fabrication possibles, les chercheurs ont démontré la puissance de la métalens dans l’imagerie d’objets célestes.

Démonstration des capacités de la métalens

Montant la métalens sur un trépied avec un filtre de couleur et un capteur d’appareil photo, Park et l’équipe se sont rendus sur le toit du Science Center de Harvard. Là, ils ont imagé le soleil, la lune et la nébuleuse d’Amérique du Nord, une nébuleuse sombre dans la constellation du Cygne, située 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 lentilles conventionnelles », a déclaré Arman Amirzhan, étudiant diplômé au laboratoire de Capasso et co-auteur de l’article.

En utilisant uniquement la métalens, les chercheurs ont pu imager le même groupe de taches solaires qu’une image de la NASA prise le même jour.

L’équipe a également démontré que la lentille pouvait survivre à une exposition à des températures extrêmes, au froid extrême et aux vibrations intenses qui surviendraient lors d’un lancement spatial sans aucun dommage ni perte de performance optique.

En raison de sa taille et de sa composition en verre monolithique, la lentille pourrait également être utilisée pour des applications de télécommunications à longue portée et de transport d’énergie dirigé.

Référence : « Toute une métalens de 100 mm de diamètre pour imager le cosmos » par Joon-Suh Park, Soon Wei Daniel Lim, Arman Amirzhan, Hyukmo Kang, Karlene Karrfalt, Daewook Kim, Joel Leger, Augustine Urbas, Marcus Ossiander, Zhaoyi Li et Federico Capasso, 17 janvier 2024, ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.3c09462

La recherche a été soutenue par l’agence américaine pour les projets de recherche avancée de défense (DARPA) dans le cadre du contrat No. HR00111810001 et le bureau de recherche scientifique de l’armée de l’air dans le cadre du contrat No. FA9550-22-1-0312.