Kompakta och lätta metasytor – som använder specifikt designade och mönstrade nanostrukturer på en plan yta för att fokusera, forma och kontrollera ljus – är en lovande teknik för bärbara applikationer, särskilt virtuella och augmented reality-system. Idag designar forskarlag noggrant det specifika mönstret av nanostrukturer på ytan för att uppnå den önskade funktionen hos linsen, oavsett om det är att lösa nanoskala funktioner, samtidigt producera flera djupuppfattande bilder eller fokusera ljus oavsett polarisering.

Om metalens kommer att användas kommersiellt i AR- och VR-system, kommer det att behöva skalas upp avsevärt, vilket innebär att antalet nanopelare kommer att vara i miljarder. Hur kan forskare designa något så komplext? Det är där artificiell intelligens kommer in.

I en nyligen publicerad artikel, publicerad i Nature Communications , beskrev ett team av forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Massachusetts Institute of Technology (MIT) en ny metod för att designa storskaliga metasytor som använder tekniker för maskinintelligens för att generera design automatiskt .

"Den här artikeln lägger grunden och designmetoden som kan påverka många verkliga enheter", säger Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS och senior författare till artikeln. "Våra metoder kommer att möjliggöra nya metasytor som kan påverka virtuell eller förstärkt verklighet, självkörande bilar och maskinseende för ombordade system och satelliter."

Fram till nu har forskare behövt år av kunskap och erfarenhet inom området för att designa en metayta.

"Vi har vägletts av intuitionsbaserad design och förlitar oss starkt på ens träning i fysik, vilket har varit begränsat i antalet parametrar som kan betraktas samtidigt, avgränsat som vi är av mänsklig arbetsminneskapacitet", säger Zhaoyi Li, en forskarassistent vid SEAS och medförfattare till artikeln.

För att övervinna dessa begränsningar, lärde teamet ett datorprogram fysik av metasytdesign. Programmet använder grunden för fysiken för att generera metasytor automatiskt och designa miljontals till miljarder parametrar samtidigt.

Detta är en omvänd designprocess, vilket innebär att forskarna börjar med en önskad funktion hos metallen – som en lins som kan korrigera kromatisk aberration – och programmet hittar de bästa designgeometrierna för att uppnå det målet med hjälp av sina beräkningsalgoritmer.

"Att låta en dator fatta ett beslut är i sig skrämmande men vi har visat att vårt program kan fungera som en kompass, som visar vägen till den optimala designen", säger Raphaël Pestourie, postdoktor vid MIT och medförfattare till tidningen. "Dessutom tar hela designprocessen mindre än en dag med en bärbar dator med en enda CPU, jämfört med det tidigare tillvägagångssättet, som skulle ta månader att simulera en enda metayta med 1 cm diameter som arbetar i det synliga ljusspektrumet."

"Detta är en ökning av storleksordningen på omvänd design för nanostrukturerade fotoniska enheter, genererar enheter tiotusentals våglängder i diameter jämfört med hundratals i tidigare arbeten, och det öppnar upp för nya klasser av applikationer för beräkningsupptäckt." sade Steven G. Johnson, professor i tillämpad matematik och fysik vid MIT och medförfattare till tidningen.

Baserat på det nya tillvägagångssättet designade och tillverkade forskargruppen ett polarisationsokänsligt, RGB-akromatiskt metaokular i centimeterskala för en virtuell verklighetsplattform (VR).

"Vår presenterade VR-plattform är baserad på ett meta-okular och en laserbakgrundsbelyst mikro-LCD, som erbjuder många önskvärda funktioner, inklusive kompakthet, låg vikt, hög upplösning, brett färgomfång och mer", säger Li. "Vi tror att metaytan, en form av platt optik, öppnar en ny väg för att omforma framtiden för VR."

Forskningen är medförfattare av Joon-Suh Park och Yao-Wei Huang. + Utforska vidare

Förvandla vilken kamera som helst till en polarisationskamera