Як Metalenses трансформують супутники та дрони

Оптичні технології зазнали значних покращень за останні кілька десятиліть. Сьогодні такі технології, як мікролінзи, є критично важливим компонентом предметів повсякденного вжитку, таких як ваш смартфон. Тому важко уявити життя без них. Від камери розпізнавання обличчя вашого телефону до передового програмного забезпечення для медичної візуалізації, спеціально розроблені металінзи продовжують стимулювати інновації в різних секторах.

Що таке металензи? Походження та еволюція

Коріння оптики на основі метаповерхень можна простежити до 1940-х років, коли В. Е. Кох розробив мікрохвильові дифракційні лінзи. Хоча це не були справжні «металінзи», як ми їх знаємо сьогодні, ці ранні експерименти заклали основу для технології плоских лінз, яка десятиліттями пізніше перетворилася на нанорозмірні металінзи, що використовуються сьогодні. Мікрохвильові дифракційні лінзи вважаються першим прикладом ефективного використання цієї технології.

Перенесемося на 50 років вперед, у 1990-ті, і технологія зазнала значних удосконалень. У цьому десятилітті з'явилися такі інновації, як градієнтні субхвильові решітки, які дозволили інженерам точно документувати фазу світла. Ці розробки також спонукали вчених створити лінзи, спеціально розроблені для роботи з коротшими довжинами хвиль, що призвело до появи систем на основі інфрачервоного світла.

Технологія розширюється

У 2016 році технологія зробила ще один крок вперед, коли інженери-оптики Гарварду продемонстрували металінзу видимого діапазону хвиль з використанням наностовпчиків діоксиду титану. Ця інновація стала важливою віхою в розвитку металінз, забезпечивши вищу продуктивність.

Примітно, що металінзи є ключовим компонентом технологічної галузі, а сучасні металінзи зменшилися до нанорозмірів, тобто вони тонші за пасмо волосся. Для виконання цього завдання інженери використовують метаатоми.

Мета-атоми

Ці спеціально розроблені розсіювачі субхвильового розміру мають плоску конструкцію, що дозволяє їм забезпечувати чудовий контроль субхвильових хвиль. Сучасні пристрої можна використовувати для точного налаштування поляризації, амплітуди, фази та частоти світлових хвиль.

Вони дозволяють інженерам розробляти пристрої з надкороткими фокусними відстанями, що дозволяє використовувати їх у створенні мініатюрних електронних пристроїв. Таким чином, ви можете не усвідомлювати, що щодня оточені металінзами, оскільки вони допомагають у всьому: від комунікації до подорожей та медичного лікування.

Проблеми з Metalenses сьогодні

Очевидно, що інженерам довелося подолати численні технічні перешкоди, щоб втілити металензи в реальність. Незважаючи на їхній прогрес за останні кілька років, ці пристрої все ще мають деякі обмеження, які обмежують їхню здатність повністю реалізувати свій потенціал.

По-перше, вони виявилися надзвичайно складними для масштабування. На сьогоднішній день виробники мають труднощі з виробництвом надійних металінз з сантиметровими апертурами. Ці пристрої важливі, оскільки вони дозволяють широкосмугову або багатохвильову роботу.

На жаль, такі обмежувальні фактори, як досягнення необхідної групової затримки (ГЗ), продовжують перешкоджати розвитку. Зокрема, ГЗ, яку також називають максимально необхідною лінійною фазовою дисперсією, має бути розрахована відповідно до діаметра лінзи. В іншому випадку ахроматичне фокусування практично неможливе.

Розгортання шарів

До сьогодні інженери могли використовувати лише одношарові наноструктуровані металінзи з існуючими діелектриками. Це обмеження зменшило діаметр лінз та варіанти дизайну. Один зі способів, яким інженери намагалися обійти ці обмеження, – це використання геометричної фази для незалежного керування фазою та газорозрядною зміною (GD) по поверхні, але цей підхід, як виявилося, робить лінзи чутливими до поляризації.

Донедавна було неможливо створити металензи, достатньо великі, щоб резонувати на найдовшій довжині хвилі, не сприймаючи надмірних перешкод від коротших довжин хвиль. Однак команда інженерів-новаторів, можливо, щойно знайшла рішення цих проблем.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Нове дослідження Metalens для супутників та дронів

Папір Проектування багатошарових метаповерхонь Гюйгенса для багатохвильових та поляризаційно-нечутливих металенз великої площі¹ опублікована в Optics Express стаття проливає світло на новий метод виробництва та підхід до металінз. Дослідження продемонструвало конструкцію багатохвильових металінз, нечутливих до поляризації, яка використовує ближній інфрачервоний (NIR) спектр для покращення продуктивності та можливостей.

моделі

Інженер почав з використання передових комп'ютерних моделей для дослідження та тестування мільйонів форм метаповерхонь та їхнього впливу на світло. Цікаво, що обчислення продемонстрували унікальні конструкції, які інженери помістили в бібліотеку. Форми включали округлі квадрати, чотирилисті конюшини, пропелери та інші несподівані варіації. Вражаюче, програмне забезпечення могло точно передбачати резонанси на одній довжині хвилі як в електричному, так і в магнітному диполі. Ці довжини хвиль відомі як резонанси Гюйгенса.

Джерело - Австралійський національний університет

Металенсес

Після того, як інженери визначили точну форму поверхні наноструктур на лінзах, вони почали розробляти поверхню лінз. Інженери розробили метаатоми, використовуючи метод оберненої оптимізації форми, щоб створити металінзи з багатозонною дисперсією.

Метаповерхневі шари Гюйгенса

У цій стратегії металензи використовують метаатоми, розташовані для підтримки спектрально перекриваючих електричних (ЕД) та магнітних (МД) диполярних резонансів. У цій стратегії GD покривається кількома зонами. Такий підхід гарантує, що кожна зона обмежена досяжним максимальним значенням метаатомів.

Спочатку команда намагалася сфокусувати кілька довжин хвиль за допомогою одного шару. Однак вони швидко зрозуміли, що їм потрібно перейти до багатохвильової стратегії. Вони визначили, що використання кількох метаповерхневих шарів Гюйгенса забезпечить ідеальний спосіб розділення та модуляції певних довжин хвиль.

Стратегія багатохвильової дії

Кожна метаповерхня Гюйгенса була розроблена для модуляції певної довжини хвилі, зберігаючи при цьому високий коефіцієнт пропускання. Ця стратегія також зменшує фазові збурення на інших довжинах хвиль, що робить її ідеальною для багатошарового підходу, якого прагнули інженери.

Для виконання цього завдання шари метаматеріалів працюють разом, щоб фокусувати діапазон довжин хвиль від неполяризованого джерела на великому діаметрі. Ця стратегія забезпечує надійний метод перевищення максимальної групової затримки, досяжної в одношаровій метаповерхні. Зокрема, вона усуває розріджену фазову дискретизацію просторових конструкцій перемежування.

Отже, це дозволяє інженерам налаштовувати важливі компоненти, включаючи числову апертуру, фізичний діаметр та робочу смугу пропускання. Інженери зазначили, що їхнє творіння може працювати максимум з п'ятьма різними довжинами хвиль, забезпечуючи при цьому роботу без чутливості до поляризації.

Оновлення супутників та камер дронів за допомогою тесту Metalenses

Щоб протестувати свій пристрій, вчені вирішили створити вдосконалену металінзу. Першим кроком команда розробила та виготовила металінзу, яка могла б працювати на довжинах хвиль 2000 та 2340 нм з числовою апертурою (NA) 0.11. Пристрій мав лише 300 нм заввишки та 1000 нм завширшки, що робило його невидимим для ока.

Примітно, що команда випробувала пристрій на кількох довжинах хвиль. Вони зосередилися на тестуванні повного діапазону фазових зсувів, від нуля до двох пі, та інших важливих етапів за допомогою симуляцій. Примітно, що лінзи працювали аналогічно набагато більшим пристроям, але потребували набагато менше місця та енергії для роботи.

Результати тестів Metalens

Випробування підтвердило симуляції інженерів. Конструкція металензи перевершила своїх попередників за всіма показниками. Вона успішно досягла нормалізованої передавальної функції модуляції (MTF). Зокрема, команда задокументувала абсолютну ефективність фокусування на рівні 65% та 56%. Ці результати не ідеальні, але вони є значним покращенням і значною мірою сприяють досягненню оптимальної продуктивності об'єктива такого розміру.

Переваги металензів для аерокосмічної галузі та не тільки

Ця технологія пропонує багато переваг на ринку. По-перше, ці крихітні лінзи можна розміщувати в більшій кількості пристроїв, що дозволяє створювати компактніші конструкції. Додаткові можливості цих мікроскопічних лінз допоможуть покращити взаємодію зі споживачами та стимулювати інновації в аерокосмічній, медичній та інших галузях.

Висока толерантність до перекосу шарів

Ця конструкція довела свою здатність захищати від поперечного зміщення. Пам'ятайте, що в цьому пристрої кожен шар має лише крихітний проміжок між наступними шарами. Це розділення відбувається в межах дальнього поля, що автоматично допомагає зменшити зміщення.

Простіше виготовлення

Ще однією важливою перевагою цього дослідження є демонстрація нового методу виробництва. Такий підхід дозволяє вченим створювати кожен шар окремо, перш ніж просто збирати блок для створення повної металінзи. Ця стратегія набагато дешевша, ніж спроба створити кожен пристрій повністю за один процес.

Масштабованість

Цей виробничий процес можна масштабувати для задоволення потреб галузі. Крім того, сам продукт можна масштабувати для задоволення більшої кількості застосувань. Ці операції масштабування можливі завдяки використанню передових стратегій наскрізного кремнієвого нанофабрикату.

Модернізація супутників та камер дронів за допомогою Metalenses: реальне застосування та часова шкала:

На ринку існує багато застосувань для металензів. По-перше, це дослідження допоможе стимулювати інновації. Воно призведе до нового покоління мікроскопічної, доступної та потужної оптики, яку можна використовувати в портативних пристроях та носимих гаджетах.

Медичне поле

Ця технологія матиме позитивний вплив на медичну галузь, де її можна буде використовувати в усьому, від передових систем візуалізації до носимих пристроїв для лікування. Ці лінзи нададуть медичним працівникам можливість створювати ефективніші та стійкіші інструменти, що використовують технології для відстеження одужання.

Системи безпеки

Ще одне застосування цієї технології — у секторі моніторингу безпеки. Потужні пристрої візуалізації відіграють життєво важливу роль у забезпеченні функціонування та належного стану ключових компонентів в процесі роботи. У майбутньому мініатюрні датчики можуть попереджати працівників про потенційні ризики, такі як тонкі тріщини, небезпечні хімічні речовини чи інші загрози безпеці.

Авіаційно-космічний

Аерокосмічна промисловість побачить негайну інтеграцію цієї технології в міру її розвитку. Металезинси будуть використовуватися в майбутніх безпілотниках, супутниках та інших аерокосмічних застосуваннях. Їхня легка та компактна конструкція робить їх ідеальними для застосувань, де ці фактори життєво важливі для успіху. Таким чином, дрони та супутники спостереження за Землею, ймовірно, будуть одними з перших, які інтегрують багатошарові металезинси.

EVs

Електромобілі використовуватимуть цю технологію для зменшення ваги своїх інтелектуальних систем водіння. Оскільки все більше електромобілів звертаються до штучного інтелекту для керування та автоматичного уникнення перешкод, виробники автомобілів продовжують шукати найефективніші та найлегші оптичні системи. Ця остання розробка дозволить їм отримати ще більше часу роботи від акумулятора своїх майбутніх автомобілів, одночасно покращуючи оптичні можливості.

Оновлення супутників та камер дронів за допомогою часової шкали Metalenses

Може пройти від 3 до 7 років, перш ніж ця технологія з'явиться на ринку. Для споживачів ця технологія може бути інтегрована в їхні смарт-пристрої протягом наступного десятиліття. Для військових застосувань терміни будуть коротшими, оскільки супутники спостереження та дрони є головним пріоритетом для цих організацій.

Модернізація супутників та камер дронів за допомогою дослідників Metalenses

Дослідження для дослідження «Модернізація супутників та камер дронів за допомогою Metalenses» проводилося Дослідницькою школою фізики Австралійського національного університету та Центром передового досвіду трансформаційних метаоптичних систем (TMOS) ARC. Крім того, у роботі брали участь інженери з Університету Фрідріха Шиллера в Єні (Німеччина) в рамках Міжнародної дослідницької навчальної групи Meta-ACTIVE. У статті як основні автори зазначені Джошуа Йордан, Олександр Е. Мінович, Драгомир Нешев та Ізабель Штауде.

Модернізація супутників та камер дронів через Metalenses Future

Майбутнє металенз світле. Ці надкомпактні пристрої матимуть вирішальне значення для аерокосмічних операцій. Тепер інженери зосередять свої дослідження на довільних багатохвильових фазових профілях. Їхня мета — перевершити минуле просте лінзування та поєднати інші технології, такі як штучний інтелект, для оптимізації майбутніх конструкцій.

Інноваційна компанія в оптичному секторі

Кілька компаній домінують у секторі оптики. Ці фірми щорічно витрачають мільйони на дослідження та розробки в надії створити ефективніші варіанти лінз. Ось одна компанія, яка розширила межі оптичних обчислювальних технологій і продовжує забезпечувати партнерські відносини високого рівня з метою стимулювання інновацій.

Juniper Networks, Inc.

Компанія Juniper Networks Inc. вийшла на ринок у 1996 році як виробник комп'ютерних маршрутизаторів. Штаб-квартира компанії знаходиться в Маунтін-В'ю, Каліфорнія. Серед її засновників – Прадіп Сіндху, а також Денніс Бушнелл та Бйорн Ліенкрес. Вони уявляли, що одного дня їхня фірма постачатиме високопродуктивні маршрутизатори, оптимізовані для сучасних обчислювальних потреб усього світу.

Через два роки після запуску компанія Juniper представила маршрутизатор M40. Цей продукт мав успіх, що допомогло компанії розширити свою діяльність на інші підприємства. Сьогодні фірма пропонує повний портфель оптичних пристроїв, що відповідають стандартам. Ці продукти включають оптичні приймачі прямого детектування та когерентні оптичні приймачі, спеціалізовані підключаються пристрої та інше передове оптичне комп'ютерне обладнання.

Останні новини та динаміка акцій JNPR (JNPR)

Модернізація супутників та камер дронів за допомогою Metalenses | Висновок

Металензи відкривають двері для нового рівня оптичних можливостей. Ці пристрої вже життєво важливі для щоденної роботи, і попит на їхні послуги зростає. Отже, ви можете очікувати побачити металензи майже в кожному мініатюрному портативному оптичному пристрої в найближчі роки. Таким чином, ці інженери заслуговують на оплески за свої зусилля, які можуть мати гучний вплив на розвиток галузі в майбутньому.

Дізнайтеся про інші цікаві розробки в галузі матеріалознавства тут

Посилання

^{1. Джошуа Йордан, Олександр Е. Мінович, Драгомир Нешев та Ізабель Штауд, «Проектування багатошарових метаповерхонь Гюйгенса для багатохвильових та поляризаційно нечутливих металенз великої площі», Opt. Express 33, 33643-33654 (2025) https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-33-16-33643&id=575152}