Metasurfaces, der manipulerer lys i bittesmå skalaer, kan finde anvendelser i forbrugerteknologi

De fleste af os kender optiske linser som buede, gennemsigtige stykker plast eller glas, designet til at fokusere lys til mikroskoper, briller, kameraer, og mere. For det meste, en linse buet form har ikke ændret sig meget siden den blev opfundet for mange århundreder siden.

I det sidste årti, imidlertid, ingeniører har skabt fladt, ultratynde materialer kaldet "metasurfaces", der kan udføre lysets tricks langt ud over, hvad traditionelle buede linser kan. Ingeniører ætser individuelle funktioner, hundredvis af gange mindre end bredden af ​​et enkelt menneskehår, på disse metaoverflader for at skabe mønstre, der gør det muligt for overfladen som helhed at sprede lys meget præcist. Men udfordringen er at vide præcist, hvilket mønster der er nødvendigt for at producere en ønsket optisk effekt.

Det er her MIT -matematikere er kommet frem til en løsning. I en undersøgelse offentliggjort i denne uge i Optik Express , et team rapporterer om en ny beregningsteknik, der hurtigt bestemmer den ideelle makeup og arrangement af millioner af personer, mikroskopiske funktioner på en metasurface, at generere en flad linse, der manipulerer lys på en bestemt måde.

Tidligere arbejde angreb problemet ved at begrænse de mulige mønstre til kombinationer af forudbestemte former, såsom cirkulære huller med forskellige radier, men denne tilgang undersøger kun en lille brøkdel af de mønstre, der potentielt kan laves.

Den nye teknik er den første til effektivt at designe helt vilkårlige mønstre til store optiske metasurfaces, måler cirka 1 kvadratcentimeter - et relativt stort område, i betragtning af hver enkelt funktion er ikke mere end 20 nanometer bred. Steven Johnson, professor i matematik ved MIT, siger beregningsteknikken hurtigt kan kortlægge mønstre for en række ønskede optiske effekter.

"Sig, at du vil have et objektiv, der fungerer godt til flere forskellige farver, eller du vil tage lys og i stedet for at fokusere det på et sted, lave en stråle eller en slags hologram eller optisk fælde, "Johnson siger." Du kan fortælle os, hvad du vil gøre, og denne teknik kan komme med det mønster, du skal lave. "

Johnsons medforfattere på papiret er hovedforfatter Zin Lin, Raphaël Pestourie, og Victor Liu.

Pixel-for-pixel

En enkelt metasurface er typisk opdelt i små, pixel i nanometerstørrelse. Hver pixel kan enten ætses eller efterlades uberørt. Dem, der er ætset, kan sættes sammen for at danne et vilkårligt antal forskellige mønstre.

Til dato, forskere har udviklet computerprogrammer til at søge efter ethvert muligt pixelmønster til små optiske enheder, der måler titalls mikrometer på tværs. Så lille, præcise strukturer kan bruges til, for eksempel, fælde og direkte lys i en ultralet laser. De programmer, der bestemmer de nøjagtige mønstre af disse små enheder, gør det ved at løse Maxwells ligninger - et sæt grundlæggende ligninger, der beskriver spredning af lys - baseret på hver enkelt pixel i en enhed, derefter indstille mønsteret, pixel for pixel, indtil strukturen frembringer den ønskede optiske effekt.

Men Johnson siger, at denne pixel-for-pixel-simuleringsopgave bliver næsten umulig for store overflader, der måler millimeter eller centimeter på tværs. En computer skulle ikke kun arbejde med et meget større overfladeareal, med størrelsesordener flere pixels, men også skulle køre flere simuleringer af mange mulige pixelarrangementer for til sidst at nå frem til et optimalt mønster.

"Du skal simulere på en skala, der er stor nok til at fange hele strukturen, men lille nok til at fange fine detaljer, "Johnson siger." Kombinationen er virkelig et stort beregningsproblem, hvis du angriber den direkte. Hvis du smed den største supercomputer på jorden, og du havde meget tid, du kunne måske simulere et af disse mønstre. Men det ville være en tour de force. "

En op ad bakke

Johnsons team er nu kommet med en genvej, der effektivt simulerer det ønskede mønster af pixels til store metasurfaces. I stedet for at skulle løse Maxwells ligninger for hver enkelt nanometerstørrelse i en kvadratcentimeter materiale, forskerne løste disse ligninger for pixel "patches".

Computersimuleringen, de udviklede, starter med en kvadratcentimeter tilfældigt ætset, pixel i nanometerstørrelse. De opdelte overfladen i grupper af pixels, eller lapper, og brugte Maxwells ligninger til at forudsige, hvordan hver patch spreder lys. De fandt derefter en måde at omtrent "sy" patch -løsningerne sammen, at bestemme, hvordan lyset spreder sig over det hele, tilfældigt ætset overflade.

Fra dette startmønster, forskerne tilpassede derefter en matematisk teknik kendt som topologioptimering, for i det væsentlige at justere mønsteret af hver patch over mange iterationer, indtil finalen, samlet overflade, eller topologi, spreder lys på en foretrukken måde.

Johnson sammenligner tilgangen til at forsøge at finde vej op ad en bakke, bind for øjnene. For at producere en ønsket optisk effekt, hver pixel i en patch skal have et optimalt ætset mønster, der skal opnås, der kunne opfattes metaforisk som en top. At finde denne top, for hver pixel i en patch, betragtes som et topologioptimeringsproblem.

"For hver simulering vi finder ud af, hvordan vi skal justere hver pixel, "Siger Johnson." Så har du en ny struktur, som du kan efterligne, og du bliver ved med at udføre denne proces, hver gang op ad bakke, indtil du når et højdepunkt, eller optimeret mønster. "

Holdets teknik er i stand til at identificere et optimalt mønster på få timer, sammenlignet med traditionelle pixel-for-pixel tilgange, som, hvis den anvendes direkte på store metaoverflader, ville være praktisk talt umulig.

Ved hjælp af deres teknik, forskerne kom hurtigt med optiske mønstre til flere "metadevices, "eller linser med forskellige optiske egenskaber, herunder en solkoncentrator, der tager indgående lys fra enhver retning og fokuserer det til et enkelt punkt, og en akromatisk linse, som spreder lys med forskellige bølgelængder, eller farver, til samme punkt, med samme fokus.

"Hvis du har et objektiv i et kamera, hvis det er fokuseret på dig, det skal fokuseres på alle farver samtidigt, "Johnson siger." Den røde skulle ikke være i fokus, men den blå ude af fokus. Så du skal komme med et mønster, der spreder alle farverne på samme måde, så de går ind på det samme sted. Og vores teknik er i stand til at finde på et vanvittigt mønster, der gør det. "

Fremadrettet, forskerne arbejder med ingeniører, hvem kan fremstille de indviklede mønstre, som deres teknik kortlægger, at producere store metaoverflader, muligvis til mere præcise mobiltelefonlinser og andre optiske applikationer.

"Disse overflader kunne produceres som sensorer til biler, der kører selv, eller augmented reality, hvor du har brug for god optik, "Pestourie siger." Denne teknik giver dig mulighed for at tackle meget mere udfordrende optiske designs. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.