Wetenschap
Ultraplatte optiek voor breedband-thermische beeldvorming
Infraroodbeeldvorming met lange golflengte (LWIR) is van cruciaal belang voor veel toepassingen, van consumentenelektronica tot defensie en nationale veiligheid. Het vindt toepassingen in nachtzicht, teledetectie en beeldvorming over lange afstanden. De conventionele refractieve lenzen die in deze beeldvormingssystemen worden gebruikt, zijn echter omvangrijk en zwaar, wat voor bijna alle toepassingen ongewenst is. Dit probleem wordt nog verergerd door het feit dat veel LWIR-refractielenzen zijn gemaakt van dure materialen die maar beperkt verkrijgbaar zijn, zoals germanium.
De volgende generatie optische systemen vereist lenzen die niet alleen lichter en dunner zijn dan ooit tevoren, maar ook een compromisloze beeldkwaliteit behouden. Deze vraag heeft een golf van inspanningen aangewakkerd om ultradunne diffractieve optica onder de golflengte te ontwikkelen, bekend als meta-optica.
Meta-optica, in hun eenvoudigste vorm, bestaat uit reeksen nanopilaren op sub-golflengteschaal op een vlak oppervlak, waarbij elke pilaar een lokale faseverschuiving introduceert op het passerende licht. Door deze pijlers strategisch te rangschikken, kan het licht worden bestuurd om sturing en lenswerking te produceren. Terwijl conventionele refractieve lenzen bijna een centimeter dik zijn, zijn meta-optica ongeveer 500 micron dik, wat de totale dikte van de optica dramatisch vermindert.
Een uitdaging met meta-optica zijn echter sterke chromatische aberraties. Dat wil zeggen dat licht van verschillende golflengten op verschillende manieren met de structuur interageert, en het resultaat is doorgaans een lens die niet tegelijkertijd licht van verschillende golflengten in hetzelfde brandpuntsvlak kan focusseren. Grotendeels vanwege dit probleem heeft meta-optica hun refractieve tegenhangers nog niet volledig vervangen, ondanks de voordelen op het gebied van grootte- en gewichtsreductie.
Met name het gebied van LWIR-meta-optica is relatief onontgonnen vergeleken met meta-optica met zichtbare golflengte, en de potentiële voordelen van meta-optica ten opzichte van conventionele refractieve lenzen zijn aanzienlijk gezien de unieke en uitgebreide toepassingen van dit golflengtebereik.
Nu, in een nieuw artikel gepubliceerd in Nature Communications heeft een multi-institutioneel team van onderzoekers, onder leiding van Arka Majumdar, universitair hoofddocent aan de afdeling Electrical &Computer Engineering (UW ECE) en de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Washington, een nieuw ontwerpframework geïntroduceerd met de naam 'MTF-engineering'.
De modulatieoverdrachtsfunctie, of MTF, beschrijft hoe goed een lens het beeldcontrast handhaaft als functie van de ruimtelijke frequentie. Dit raamwerk richt zich op de uitdagingen die gepaard gaan met breedbandmeta-optica om thermische beeldvorming met meta-optica te ontwerpen en experimenteel te demonstreren in laboratorium- en praktijkomgevingen. Het team bouwde voort op reeds succesvolle inverse ontwerptechnieken door een raamwerk te ontwikkelen dat zowel de pijlervorm als de globale opstelling tegelijkertijd optimaliseert.
Gebruik maken van kunstmatige intelligentie en een nieuw omgekeerd ontwerpframework
Een belangrijke innovatie in de aanpak van het onderzoeksteam is het gebruik van kunstmatige intelligentie – een deep neural network (DNN)-model – om de vorm en fase van de pijler in kaart te brengen. In een omgekeerd ontwerpproces voor optica met een groot oppervlak is het rekenkundig niet haalbaar om te simuleren hoe het licht bij elke iteratie met elke pilaar interageert.
Om dit probleem op te lossen, hebben de auteurs een grote bibliotheek van nanopilaren (ook wel "meta-atomen" genoemd) gesimuleerd en de gesimuleerde gegevens gebruikt om een DNN te trainen. De DNN maakte een snelle mapping mogelijk tussen de verstrooier en de fase in de optimalisatielus, waardoor het omgekeerde ontwerp mogelijk werd van optica met een groot oppervlak die miljoenen pijlers op micronschaal bevat.
Een andere belangrijke innovatie in dit werk is de 'figure of merit' (FoM), die ertoe heeft geleid dat het raamwerk 'MTF-engineering' wordt genoemd. Bij omgekeerd ontwerp definieert men een FoM en optimaliseert computationeel de structuur of opstelling om de FoM te maximaliseren. Het is echter vaak niet intuïtief waarom het geproduceerde resultaat optimaal is. Voor dit werk hebben de auteurs hun expertise op het gebied van de meta-optica benut om een FoM te definiëren die intuïtief is.
Majumdar legt uit:"Het cijfer van verdienste houdt verband met het gebied onder de MTF-curve. Het idee hier is om zoveel mogelijk informatie door de lens te sturen, die wordt vastgelegd in de MTF. Vervolgens, gecombineerd met een lichte computationele backend, kunnen we kan een beeld van hoge kwaliteit bereiken. Het cijfer van verdienste weerspiegelt wat we intuïtief weten over optica. Deze specifieke FoM is geoptimaliseerd wanneer alle golflengten even goed presteren, waardoor onze optica wordt beperkt tot uniforme prestaties over de gespecificeerde golflengten zonder uniformiteit expliciet te definiëren. een optimalisatiecriterium."
Deze aanpak, die intuïtie uit de meta-optica combineert met een lichte computationele backend, verbetert de prestaties aanzienlijk in vergelijking met eenvoudige metalenses.
De auteurs vervaardigden hun ontworpen optica uit een enkele siliciumwafel, wat veelbelovend is voor toekomstige toepassingen met germaniumvrije LWIR-beeldvormingssystemen. Hoewel wordt erkend dat er nog steeds ruimte is voor verbetering om een beeldkwaliteit te bereiken die vergelijkbaar is met commerciële refractieve lenssystemen, vertegenwoordigt dit werk een belangrijke stap in de richting van dat doel.
De onderzoekers hebben genereus hun MTF-engineeringframework, genaamd 'metabox', online beschikbaar gesteld via GitHub, en anderen uitgenodigd het te gebruiken voor het ontwerpen van hun eigen meta-optica. Het onderzoeksteam uitte zijn enthousiasme over de potentiële resultaten die zouden kunnen voortkomen uit het gebruik van metabox in de bredere wetenschappelijke gemeenschap.
Bij de UW ECE aangesloten teamleden waren onder meer recente alumni Luocheng Huang (de hoofdauteur van het artikel) en Zheyi Han, postdoctorale onderzoekers Saswata Mukherjee, Johannes Fröch en Quentin Tanguy, evenals UW ECE-professor Karl Böhringer, directeur van het Institute for Nano -Engineered Systems aan de UW.