Ny algoritme-tilgang baner vejen for større, mere komplekse metalenses

Kompakte og lette metasurfacer – som bruger specifikt designede og mønstrede nanostrukturer på en flad overflade til at fokusere, forme og kontrollere lys – er en lovende teknologi til bærbare applikationer, især virtuelle og augmented reality-systemer. I dag designer forskerhold omhyggeligt det specifikke mønster af nanostrukturer på overfladen for at opnå den ønskede funktion af linsen, uanset om det er at løse nanoskala-funktioner, samtidig producere flere dybdeopfattende billeder eller fokusere lys uanset polarisering.

Hvis metalens skal bruges kommercielt i AR- og VR-systemer, skal det skaleres betydeligt op, hvilket betyder, at antallet af nanopiller vil være i milliarder. Hvordan kan forskere designe noget så komplekst? Det er her, kunstig intelligens kommer ind i billedet.

I et nyligt papir, offentliggjort i Nature Communications , beskrev et team af forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Massachusetts Institute of Technology (MIT) en ny metode til at designe metasurfaces i stor skala, der bruger teknikker til maskinintelligens til at generere design automatisk .

"Denne artikel lægger grunden og designtilgangen, som kan påvirke mange enheder i den virkelige verden," sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace-professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Vores metoder vil muliggøre nye metasurface-design, der kan påvirke virtuel eller augmented reality, selvkørende biler og maskinsyn til indskibede systemer og satellitter."

Indtil nu har forskere haft brug for mange års viden og erfaring på området for at designe en metasurface.

"Vi er blevet guidet af intuitionsbaseret design, og er stærkt afhængige af ens træning i fysik, som har været begrænset i antallet af parametre, der kan betragtes samtidigt, afgrænset som vi er af menneskelig arbejdshukommelseskapacitet," sagde Zhaoyi Li, en forskningsmedarbejder ved SEAS og medforfatter af papiret.

For at overvinde disse begrænsninger lærte holdet et computerprogram i fysikken i metasurface design. Programmet bruger fysikkens fundament til automatisk at generere metasurface-designs og designe millioner til milliarder af parametre samtidigt.

Dette er en omvendt designproces, hvilket betyder, at forskerne starter med en ønsket funktion af metalenerne – såsom en linse, der kan korrigere kromatisk aberration – og programmet finder de bedste designgeometrier til at nå dette mål ved hjælp af dets beregningsalgoritmer.

"At lade en computer træffe en beslutning er i sagens natur skræmmende, men vi har vist, at vores program kan fungere som et kompas, der viser vejen til det optimale design," sagde Raphaël Pestourie, en postdoc ved MIT og medforfatter af papiret. "Hvad mere er, tager hele designprocessen mindre end en dag ved at bruge en bærbar computer med en enkelt CPU sammenlignet med den tidligere tilgang, som ville tage måneder at simulere en enkelt metaoverflade på 1 cm i diameter, der arbejder i det synlige lysspektrum."

"Dette er en stigning i størrelsesordener i omfanget af omvendt design for nanostrukturerede fotoniske enheder, der genererer enheder titusindvis af bølgelængder i diameter sammenlignet med hundredvis i tidligere værker, og det åbner op for nye klasser af applikationer til beregningsmæssig opdagelse." sagde Steven G. Johnson, professor i anvendt matematik og fysik ved MIT og medtilsvarende forfatter til papiret.

Baseret på den nye tilgang designede og fremstillede forskerholdet et polarisationsufølsomt, polarisationsufølsomt RGB-akromatisk meta-okular til en virtual reality-platform (VR).

"Vores præsenterede VR-platform er baseret på et meta-okular og en laserbagbelyst mikro-LCD, som tilbyder mange ønskværdige funktioner, herunder kompakthed, let vægt, høj opløsning, bred farveskala og mere," sagde Li. "Vi tror på, at metaoverfladen, en form for flad optik, åbner en ny vej til at omforme fremtiden for VR."

Forskningen er medforfatter af Joon-Suh Park og Yao-Wei Huang. + Udforsk yderligere

Forvandling af et hvilket som helst kamera til et polarisationskamera