As metaópticas ultrafinas têm o potencial de tornar os sistemas de imagem mais leves e finos do que nunca. Usando uma nova estrutura de design inverso, uma equipe de pesquisa multi-institucional liderada pelo Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Washington (UW ECE) demonstrou imagens térmicas de banda larga com meta-óptica para aplicações que vão desde eletrônicos de consumo até detecção térmica e visão noturna. . Mostrado acima, uma vista lateral de um wafer fabricado contendo metaóptica mantida acima de uma lente refrativa convencional. Crédito:Anna Wirth-Singh, Universidade de Washington A imagem infravermelha de comprimento de onda longo (LWIR) tem importância crítica em muitas aplicações, desde produtos eletrônicos de consumo até defesa e segurança nacional. Ele encontra aplicações em visão noturna, sensoriamento remoto e imagens de longo alcance. Contudo, as lentes refrativas convencionais utilizadas nestes sistemas de imagem são volumosas e pesadas, o que é indesejável para quase todas as aplicações. Para agravar esse problema está o fato de que muitas lentes refrativas LWIR são fabricadas com materiais caros e de fornecimento limitado, como o germânio.
A próxima geração de sistemas ópticos exige lentes que não sejam apenas mais leves e finas do que nunca, mas que também mantenham uma qualidade de imagem intransigente. Essa demanda alimentou uma onda de esforços para desenvolver óptica difrativa de subcomprimento de onda ultrafina, conhecida como meta-óptica.
A metaóptica, em sua forma mais simples, consiste em arranjos de nanopilares em escala de subcomprimento de onda em uma superfície plana, com cada pilar introduzindo uma mudança de fase local na passagem da luz. Ao organizar estrategicamente estes pilares, a luz pode ser controlada para produzir direção e lentes. Enquanto as lentes refrativas convencionais têm quase um centímetro de espessura, as metaópticas têm cerca de 500 mícrons de espessura, o que reduz drasticamente a espessura geral da óptica.
No entanto, um desafio da metaóptica são as fortes aberrações cromáticas. Ou seja, a luz de diferentes comprimentos de onda interage com a estrutura de diferentes maneiras, e o resultado é normalmente uma lente que não consegue focar simultaneamente a luz de diferentes comprimentos de onda no mesmo plano focal. Em grande parte devido a este problema, a meta-óptica ainda não substituiu totalmente as suas contrapartes refrativas, apesar dos benefícios na redução de tamanho e peso.
Em particular, a área da meta-óptica LWIR é relativamente inexplorada em comparação com a meta-óptica do comprimento de onda visível, e as vantagens potenciais da meta-óptica sobre as lentes refrativas convencionais são significativas, dadas as aplicações únicas e extensas desta faixa de comprimento de onda.
Agora, em um novo artigo publicado na Nature Communications , uma equipe multiinstitucional de pesquisadores, liderada por Arka Majumdar, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Washington (UW ECE) e do departamento de física, introduziu uma nova estrutura de design denominada "engenharia MTF".
A função de transferência de modulação, ou MTF, descreve quão bem uma lente mantém o contraste da imagem em função da frequência espacial. Esta estrutura aborda os desafios associados à metaóptica de banda larga para projetar e demonstrar experimentalmente imagens térmicas com metaóptica em ambientes laboratoriais e do mundo real. A equipe baseou-se em técnicas de design inverso já bem-sucedidas, desenvolvendo uma estrutura que otimiza simultaneamente o formato do pilar e o arranjo global.
Aproveitando a inteligência artificial e uma nova estrutura de design inverso
Uma inovação importante na abordagem da equipe de pesquisa é o uso de inteligência artificial – um modelo de rede neural profunda (DNN) – para mapear entre a forma e a fase do pilar. Em um processo de projeto inverso para óptica de grandes áreas, não é computacionalmente viável simular como a luz interage com cada pilar em cada iteração.
Para resolver este problema, os autores simularam uma grande biblioteca de nanopilares (também chamados de “metaátomos”) e usaram os dados simulados para treinar uma DNN. O DNN permitiu um mapeamento rápido entre o espalhador e a fase no ciclo de otimização, permitindo o projeto inverso de óptica de grande área contendo milhões de pilares em escala de mícron.
A meta-óptica, na sua forma mais simples, consiste em conjuntos de pilares em escala de subcomprimentos de onda sobre uma superfície plana, com cada pilar introduzindo uma mudança de fase local na passagem da luz. Ao organizar estrategicamente estes pilares, a luz pode ser controlada para produzir direção e lentes. (Acima) Uma visão completa de um wafer fabricado contendo metaóptica. (Abaixo) Imagens de microscópio eletrônico de varredura dos nanopilares contidos na metaóptica da equipe. Essas metaópticas contêm dispersores de luz complexos (esquerda) e dispersores simples (direita). Crédito:Imagens cortesia de Arka Majumdar, Anna Wirth-Singh e NOISE Lab da Universidade de Washington
Outra inovação importante neste trabalho é a figura de mérito (FoM), levando a estrutura a ser denominada "engenharia MTF". No projeto inverso, define-se um FoM e otimiza computacionalmente a estrutura ou arranjo para maximizar o FoM. No entanto, muitas vezes não é intuitivo o motivo pelo qual o resultado produzido é ideal. Para este trabalho, os autores aproveitaram sua experiência em meta-óptica para definir um FoM que seja intuitivo.
Majumdar explicou:"A figura de mérito está relacionada à área sob a curva MTF. A ideia aqui é passar o máximo de informações possível através da lente, que é capturada no MTF. Então, combinado com um back-end computacional leve, nós pode obter uma imagem de alta qualidade. A figura de mérito reflete o que sabemos intuitivamente sobre óptica. Este FoM específico é otimizado quando todos os comprimentos de onda funcionam igualmente bem, restringindo assim nossa óptica a ter desempenho uniforme nos comprimentos de onda especificados, sem definir explicitamente a uniformidade como. um critério de otimização."
Esta abordagem, combinando a intuição da meta-óptica e um backend computacional leve, melhora significativamente o desempenho em comparação com metalenses simples.
Os autores fabricaram sua óptica projetada a partir de um único wafer de silício, o que é promissor para aplicações futuras envolvendo sistemas de imagem LWIR livres de germânio. Embora reconheça que ainda há espaço para melhorias para alcançar uma qualidade de imagem comparável aos sistemas comerciais de lentes refrativas, este trabalho representa um passo significativo em direção a esse objetivo.
Os pesquisadores disponibilizaram generosamente sua estrutura de engenharia MTF, chamada “metabox”, on-line via GitHub, convidando outros a usá-la para projetar suas próprias metaópticas. A equipe de pesquisa expressou entusiasmo com os trabalhos potenciais que podem surgir da utilização do metabox na comunidade científica mais ampla.
Os membros da equipe afiliada à UW ECE incluíam os ex-alunos recentes Luocheng Huang (o autor principal do artigo) e Zheyi Han, os pesquisadores de pós-doutorado Saswata Mukherjee, Johannes Fröch e Quentin Tanguy, bem como o professor da UW ECE Karl Böhringer, que é o diretor do Institute for Nano -Sistemas de engenharia na UW.
