Les métalentilles : une nouvelle ère pour l’imagerie astronomique

Dans le domaine de l’optique, une innovation majeure est en train de s’opérer. Les métalentilles, jusqu’à présent utilisées pour l’imagerie microscopique, sont en train de voir grand.

Une équipe de chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) a mis au point une métalentille en verre de 10 centimètres de diamètre capable d’imager le soleil, la lune et des nébuleuses lointaines avec une haute résolution. Cette découverte bouleverserait le domaine de l’astronomie et des communications optiques à longue distance.

Une métalentille de grande échelle

Les métalentilles, qui utilisent des millions de nanostructures en forme de piliers pour focaliser la lumière, sont généralement de la taille d’un grain de paillette. En 2019, l’équipe du professeur Federico Capasso a développé une métalentille à l’échelle du centimètre en utilisant une technique appelée lithographie par projection en ultraviolet profond (DUV), qui projette et forme un motif de nanostructures qui peut être directement gravé dans la plaquette de verre.

Cette technique est couramment utilisée pour dessiner des lignes et des formes fines dans les puces de silicium pour les smartphones et les ordinateurs.

Joon-Suh Park, chercheur postdoctoral dans l’équipe de Capasso, a démontré que cette technique pouvait non seulement être utilisée pour produire en masse des métalentilles, mais aussi pour augmenter leur taille pour des applications en réalité virtuelle et augmentée.

Surmonter les défis de l’ingénierie

La fabrication d’une métalentille encore plus grande pour des applications en astronomie et en communications optiques à longue distance posait encore un problème d’ingénierie.

« Il y a une limitation majeure avec l’outil de lithographie car ces outils sont utilisés pour fabriquer des puces informatiques, donc la taille de la puce est limitée à pas plus de 20 à 30 millimètres », a indiqué Joon-Suh Park.

Les chercheurs ont développé une technique pour assembler plusieurs motifs de nanopiliers en utilisant l’outil de lithographie par projection DUV. En divisant la lentille en 25 sections mais en n’utilisant que les sept sections d’un quadrant compte tenu de la symétrie de rotation, les chercheurs ont montré que la lithographie par projection DUV pouvait graver 18,7 milliards de nanostructures conçues sur une zone circulaire de 10 centimètres en quelques minutes.

Imagerie puissante et applications potentielles

Après avoir relevé les défis de fabrication possibles, les chercheurs ont démontré la puissance de la métalentille en imagerie d’objets célestes. En montant la métalentille sur un trépied avec un filtre de couleur et un capteur de caméra, Park et son équipe ont pris des images du soleil, de la lune et de la nébuleuse de l’Amérique du Nord, une nébuleuse faible 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 qui sont comparables à celles prises par des lentilles conventionnelles », a précisé Arman Amirzhan, un étudiant diplômé du laboratoire Capasso et co-auteur de l’article.

En raison de sa taille et de sa composition en verre monolithique, la lentille pourrait également être utilisée pour les communications à longue distance et les applications de transport d’énergie dirigée.

Légende illustration : Ce métalen de verre de 10 centimètres de diamètre permet d’imager le soleil, la lune et les nébuleuses lointaines avec une haute résolution. Crédit : Capasso Lab/Harvard SEAS.