_ Optic ultraplat pentru imagini termice în bandă largă

Imaginile în infraroșu cu lungime de undă lungă (LWIR) au o importanță critică în multe aplicații, de la electronice de larg consum până la apărare și securitate națională. Găsește aplicații în vederea nocturnă, teledetecție și imagistica la distanță lungă. Cu toate acestea, lentilele de refracție convenționale utilizate în aceste sisteme de imagistică sunt voluminoase și grele, ceea ce este nedorit pentru aproape toate aplicațiile. Agravează această problemă și faptul că multe lentile de refracție LWIR sunt fabricate din materiale scumpe și cu aprovizionare limitată, cum ar fi germaniul.

Următoarea generație de sisteme optice necesită lentile care nu sunt doar mai ușoare și mai subțiri decât oricând înainte. , dar și menține calitatea fără compromisuri a imaginii. Această cerere a alimentat un val de eforturi de dezvoltare a opticii difractive cu lungimi de undă ultra-subțiri, cunoscută sub denumirea de meta-optică.

Meta-optica, în forma lor cea mai simplă, constă în rețele de nanoppili la scară sub-lungimi de undă. pe o suprafață plană, fiecare pilon introducând o schimbare de fază locală la trecerea luminii. Prin aranjarea strategică a acestor stâlpi, lumina poate fi controlată pentru a produce direcție și lentilă. În timp ce lentilele de refracție convenționale sunt aproape de un centimetru grosime, meta-optica au o grosime de aproximativ 500 de microni, ceea ce reduce dramatic grosimea totală a opticii.

Cu toate acestea, o provocare cu meta-optica este aberațiile cromatice puternice. Adică, lumina de lungimi de undă diferite interacționează cu structura în moduri diferite, iar rezultatul este de obicei o lentilă care nu poate focaliza simultan lumina de lungimi de undă diferite în același plan focal. În mare parte din cauza acestei probleme, meta-optica nu și-a înlocuit încă pe deplin omologii lor de refracție, în ciuda beneficiilor în ceea ce privește reducerea dimensiunii și a greutății.

În special, domeniul meta-opticii LWIR este relativ neexplorată în comparație cu lungimea de undă vizibilă. meta-optica și potențialele avantaje ale meta-opticii față de lentilele de refracție convenționale sunt semnificative, având în vedere aplicațiile unice și extinse ale acestui interval de lungimi de undă.

Acum, într-o nouă lucrare publicată în Nature Communications, un multi- echipa instituțională de cercetători, condusă de Arka Majumdar, profesor asociat la Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare a Universității din Washington (UW ECE) și departamentul de fizică, a introdus un nou cadru de proiectare numit „MTF-inginerie”.

Funcția de transfer de modulație, sau MTF, descrie cât de bine un obiectiv menține contrastul imaginii în funcție de frecvența spațială. Acest cadru abordează provocările asociate cu meta-optica de bandă largă pentru a proiecta și demonstra experimental imagistica termică cu meta-optica în laborator și în mediul real. Echipa s-a bazat pe tehnici de proiectare inversă deja de succes, prin dezvoltarea unui cadru care optimizează atât forma stâlpului, cât și aranjamentul global simultan.

O inovație cheie în abordarea echipei de cercetare este utilizarea inteligenței artificiale - un neuron profund. model de rețea (DNN) — pentru a mapa între forma și fază de pilon. Într-un proces de proiectare inversă pentru optica cu suprafețe mari, nu este fezabil din punct de vedere computațional să se simuleze modul în care lumina interacționează cu fiecare pilon la fiecare iterație.

Pentru a rezolva această problemă, autorii au simulat o bibliotecă mare de nanoploni (de asemenea numită „meta-atomi”) și a folosit datele simulate pentru a antrena un DNN. DNN a permis o mapare rapidă între dispersor și fază în bucla de optimizare, permițând proiectarea inversă a opticii de suprafață mare care conține milioane de stâlpi la scară de microni.

O altă inovație cheie în această lucrare este figura de merit (FoM), ceea ce a condus la cadru denumit „MTF-ingineria”. În proiectarea inversă, se definește un FoM și se optimizează computațional structura sau aranjamentul pentru a maximiza FoM. Cu toate acestea, adesea nu este intuitiv de ce rezultatul produs este optim. Pentru această lucrare, autorii și-au valorificat expertiza în meta-optică pentru a defini un FoM care este intuitiv.

Majumdar a explicat: „Figura meritului este legată de zona de sub curba MTF. Ideea aici este pentru a trece cât mai multe informații posibil prin lentilă, care este capturată în MTF. Apoi, în combinație cu un backend computațional ușor, putem obține o imagine de înaltă calitate. Cifra de merit reflectă ceea ce știm intuitiv despre optică. Acest particular FoM este optimizat atunci când toate lungimile de undă funcționează la fel de bine, constrângând astfel optica noastră să aibă performanțe uniforme pe lungimile de undă specificate, fără a defini în mod explicit uniformitatea ca criteriu de optimizare.”

Această abordare, combinând intuiția din meta-optică și un backend computațional ușor, îmbunătățește semnificativ performanța în comparație cu metalele simple.

Autorii și-au fabricat optica proiectată dintr-o singură placă de siliciu, ceea ce este promițător pentru aplicațiile viitoare care implică sisteme de imagistică LWIR fără germaniu. Deși recunosc că există încă loc de îmbunătățire pentru a obține o calitate a imaginii comparabilă cu sistemele comerciale de lentile refractive, această lucrare reprezintă un pas semnificativ către acest obiectiv.

Cercetătorii și-au creat cu generozitate cadrul de inginerie MTF, numit „ metabox”, disponibil online prin GitHub, invitându-i pe alții să-l folosească pentru a-și proiecta propria meta-optică. Echipa de cercetare și-a exprimat entuziasmul cu privire la potențialele lucrări care ar putea apărea din utilizarea metabox în comunitatea științifică mai largă.

Membrii echipei afiliate la UW ECE au inclus absolvenții recenti Luocheng Huang (autorul principal al lucrării) și Zheyi Han , cercetătorii postdoctorali Saswata Mukherjee, Johannes Fröch și Quentin Tanguy, precum și profesorul UW ECE Karl Böhringer, care este directorul Institutului pentru Sisteme Nano-Inginerie de la UW.

(Fluierul)