Большинство из нас знает, оптических линз, изогнутые, прозрачные кусочки пластика или стекла, предназначен для фокусировки света для микроскопов, очки, камеры, и многое другое. По большей части, объектива изогнутая форма не сильно изменилась, поскольку он был изобретен много веков назад.
В последнее десятилетие, однако, инженеры создали плоский, ультратонкий материалов под названием “метаповерхности”, который может выполнять трюки света гораздо дальше, чем традиционные изогнутые линзы могут сделать. Инженеры протравить индивидуальных особенностей, в сотни раз меньше, чем ширина человеческого волоса, на эти метаповерхности для создания моделей, которые позволяют поверхности в целом разброс очень точно свет. Но задача состоит в том, чтобы точно знать, какой шаблон нужно для получения желаемого оптического эффекта.
Вот где математики Массачусетского технологического института придумали решение. В исследовании, опубликованном на этой неделе в оптика Экспресс, группа сообщает о новом вычислительная техника, которая быстро определяет идеальный макияж и обустройство миллионы отдельных, микроскопических особенностей на metasurface, чтобы создать плоскую линзу, которая манипулирует светом в указанную сторону.
Предыдущая работа атаковали проблему, ограничивая возможные шаблоны для комбинации заданной формы, такие как круглые отверстия разного радиуса, но этот подход исследует только малая часть моделей, которые могут быть сделаны.
Новый метод является первым, чтобы проектировать совершенно произвольные узоры для крупномасштабных оптических метаповерхности, размером примерно 1 квадратный сантиметр — это относительно большой площади, рассматривая каждый отдельный признак не более 20 нанометров. Стивен Джонсон, профессор математики в Массачусетском технологическом институте, говорит, что вычислительная техника может быстро определить структуры для диапазона желаемого оптического эффекта.
“Говорите, что вы хотите объектив, который хорошо работает для нескольких различных цветов, или вы хотите взять свет и вместо того, чтобы сосредоточиться на месте, сделать пучок или какая-то голограмма или оптическая ловушка”, — говорит Джонсон. “Вы можете сказать нам, что вы хотите сделать, и эта техника может придумать шаблон, который вы должны сделать.”
Соавторы Джонсона на бумаге ведущий автор Зин Лин, Рафаэль Pestourie, и Виктор Лю.
Пиксель-на-пиксель
Один metasurface, как правило, делится на мелкие, нанометровых размеров пикселей. Каждый пиксель может быть вытравлены или оставила равнодушным. Те, что отпечатались можно поставить вместе, чтобы сформировать любое количество различных моделей.
На сегодняшний день, исследователи разработали компьютерные программы для поиска возможных шаблон пиксель для малого оптическими приборами измерения десятков микрометров в поперечнике. Таких мелких, точных структур могут быть использованы, например, ловушки и прямого света в лазерной сверхмалых. Программы, которые определяют точные закономерности этих небольших устройств сделать это путем решения системы уравнений Максвелла — совокупность фундаментальных уравнений, описывающих рассеяние света, основанного на каждый пиксель в устройство, то тюнинг узор, пиксель за пикселем, пока структура производит желаемый оптический эффект.
Но Джонсон говорит, что этот пиксель-на-пиксель задач моделирования становится почти невозможным для масштабных поверхностей измерительных миллиметров или сантиметров. Компьютер не только для работы с гораздо большей площадью поверхности, с порядков больше пикселей, но также придется выполнить несколько имитаций из многих возможных механизмов пикселей, чтобы в итоге прийти к оптимальному шаблону.
“Вы должны смоделировать в масштабе достаточно большой, чтобы захватить всю структуру, но достаточно маленький, чтобы запечатлеть мелкие детали,” Джонсон говорит. “Комбинация-это действительно огромная проблема вычислений, если вы напасть на него напрямую. Если вы бросили самый большой суперкомпьютер на Земле, и у тебя много времени, ты, может имитировать один из этих шаблонов. Но это будет Тур де силу”.
Со случайными metasurface, новая техника быстро развивается идеальной схемой для получения линз с заданными оптическими эффектами. Кредит: Зин Лин
Тяжелая поиска
Команда Джонсона теперь придумали ярлык, который эффективно имитирует желаемый рисунок из пикселей для крупномасштабных метаповерхности. Вместо того, чтобы решать уравнения Максвелла для каждого нанометровых размеров пикселей в квадратном сантиметре материала, исследователи решали эти уравнения для пиксель “заплатки”.
Компьютерного моделирования они разработали начинается с квадратный сантиметр случайно вытравили, нанометровых размеров пикселей. Они делят поверхность на группы пикселей, или заплатами, и использовать уравнения Максвелла, чтобы предсказать, как каждый патч рассеивает свет. Потом они нашли способ приблизительно “сшить” решения патч вместе, чтобы определить, как свет рассеивается по всему, случайным образом обработанную поверхность.
Исходя из этого образца, то была проведена адаптация математического метода оптимизации топологии, чтобы существенно изменить структуру каждого патча на протяжении многих итераций, до финала, в целом поверхность, или топологии, рассеивает свет в нужном вам способом.
Джонсон сравнивает подход к пытается найти свой путь вверх по холму, с завязанными глазами. Для получения желаемого оптического эффекта, каждый пиксель в патче должны иметь оптимальную вытравленного рисунка, которые должны быть достигнуты, что может рассматриваться метафорически как пик. Найти этот пик, для каждого пикселя в патче, является проблема оптимизации топологии.
“Для каждого симулятора, мы находим, в какую сторону нужно подкрутить каждого пикселя”, — говорит Джонсон. “Тогда у вас есть новая структура, которая Вы можете resimulate, и вы продолжаете делать этот процесс, каждый раз идя в гору, пока не достигнете пика, или оптимизированный шаблон.”
Техника команды смогли выявить оптимальную структуру за несколько часов, по сравнению с традиционной поэлементной подходы, которые, при непосредственном нанесении на большие метаповерхности, будет практически неразрешимой.
Используя свою технику, исследователи быстро пришли с оптическими узорами несколько “metadevices,” или объективы с разными оптическими свойствами, в том числе концентратор солнечной энергии, который принимает входящий свет с любого направления и фокусирует его в одну точку, и ахроматическая линза, которая рассеивает свет разной длины волны, или цвета, в ту же точку, с равным акцентом.
“Если у вас есть объектив в камеру, если это направлены на вас, она должна быть направлена для всех цветов одновременно”, — говорит Джонсон. “Красный не должен быть в фокусе, но голубой вне фокуса. Так что вам придется придумать узор, который рассеивает все цвета таким же образом, так что они идут в одном и том же месте. И наша техника способна придумать сумасшедший узор, который делает это”.
Забегая вперед, исследователи работают с инженерами, которые могут выделывать замысловатые узоры, что их методика Карты, чтобы произвести большие метаповерхности, потенциально более точных мобильный телефон линз и других оптических приложений.
“Эти поверхности могут быть изготовлены в качестве датчиков для автомобилей, которые ездят сами, или дополненная реальность, где от вас потребуется хорошая оптика,” Pestourie говорит. “Этот метод позволяет решать гораздо более сложной оптической конструкции.”
Это исследование финансировалось, в частности, по С. Исследование армии США офис через Институт нанотехнологий для солдат при Массачусетском технологическом институте .
