Infraröd avbildning med lång våglängd (LWIR) har avgörande betydelse för många applikationer, från hemelektronik till försvar och nationell säkerhet. Den hittar tillämpningar inom mörkerseende, fjärranalys och långdistansbilder. De konventionella refraktiva linserna som används i dessa bildsystem är emellertid skrymmande och tunga, vilket är oönskat för nästan alla tillämpningar. Det som förenar detta problem är det faktum att många LWIR refraktiva linser är tillverkade av dyra och begränsade material, som germanium.
Nästa generations optiska system kräver linser som inte bara är lättare och tunnare än någonsin, utan som också upprätthåller kompromisslös bildkvalitet. Denna efterfrågan har underblåst ett stort antal ansträngningar för att utveckla ultratunn sub-våglängds diffraktiv optik, känd som meta-optik.
Meta-optik, i sin enklaste form, består av arrayer av sub-våglängdsskala nanopelare på en plan yta, där varje pelare introducerar en lokal fasförskjutning till ljus som passerar igenom. Genom att strategiskt arrangera dessa pelare kan ljuset styras för att producera styrning och linsering. Medan konventionella refraktiva linser är nära en centimeter tjocka, är meta-optik cirka 500 mikron tjock, vilket dramatiskt minskar den totala tjockleken på optiken.
En utmaning med meta-optik är dock starka kromatiska aberrationer. Det vill säga, ljus med olika våglängder interagerar med strukturen på olika sätt, och resultatet är vanligtvis en lins som inte samtidigt kan fokusera ljus med olika våglängder i samma fokalplan. Till stor del på grund av detta problem har metaoptik ännu inte helt ersatt sina brytningsmotsvarigheter trots fördelarna i storlek och viktminskning.
I synnerhet är området för LWIR-metaoptik relativt outforskat jämfört med metaoptik med synlig våglängd, och de potentiella fördelarna med metaoptik jämfört med konventionella brytningslinser är betydande med tanke på de unika och omfattande tillämpningarna av detta våglängdsområde.
Nu, i en ny artikel publicerad i Nature Communications , ett multiinstitutionellt team av forskare, ledda av Arka Majumdar, en docent vid University of Washington Department of Electrical &Computer Engineering (UW ECE) och fysikavdelningen, har introducerat ett nytt designramverk som kallas "MTF-engineering."
Modulationsöverföringsfunktionen, eller MTF, beskriver hur väl ett objektiv upprätthåller bildkontrasten som en funktion av rumsfrekvensen. Detta ramverk tar upp de utmaningar som är förknippade med bredbandsmetaoptik för att designa och experimentellt demonstrera värmeavbildning med metaoptik i laboratoriemiljöer och verkliga miljöer. Teamet byggde på redan framgångsrika omvända designtekniker genom att utveckla ett ramverk som optimerar både pelarformen och det globala arrangemanget samtidigt.
En viktig innovation i forskargruppens tillvägagångssätt är användningen av artificiell intelligens – en modell för djupt neuralt nätverk (DNN) – för att kartlägga mellan pelarform och fas. I en omvänd designprocess för storarea optik är det inte beräkningsmässigt möjligt att simulera hur ljuset interagerar med varje pelare vid varje iteration.
För att lösa detta problem simulerade författarna ett stort bibliotek av nanopelare (även kallade "meta-atomer") och använde de simulerade data för att träna en DNN. DNN möjliggjorde en snabb kartläggning mellan spridare och fas i optimeringsslingan, vilket möjliggjorde omvänd design av storarea optik som innehåller miljontals mikronskala pelare.
En annan nyckelnyhet i detta arbete är figuren av merit (FoM), vilket leder till att ramverket benämns "MTF-engineering". I omvänd design definierar man en FoM och optimerar beräkningsmässigt strukturen eller arrangemanget för att maximera FoM. Det är dock ofta inte intuitivt varför det producerade resultatet är optimalt. För detta arbete utnyttjade författarna sin expertis inom meta-optik för att definiera en FoM som är intuitiv.
Majumdar förklarade, "Förtjänstsiffran är relaterad till området under MTF-kurvan. Tanken här är att skicka så mycket information som möjligt genom linsen, som fångas i MTF:n. Sedan, i kombination med en lätt beräkningsbackend, kan vi kan uppnå en bild av hög kvalitet. Förtjänstsiffran återspeglar vad vi intuitivt vet om optik. Denna speciella FoM är optimerad när alla våglängder fungerar lika bra, vilket begränsar vår optik till att ha enhetlig prestanda över de angivna våglängderna. ett optimeringskriterium."
Detta tillvägagångssätt, som kombinerar intuition från meta-optik och en lätt beräkningsbackend, förbättrar prestandan avsevärt jämfört med enkla metaller.
Författarna tillverkade sin designade optik från en enda kiselskiva, vilket är lovande för framtida tillämpningar som involverar germaniumfria LWIR-bildsystem. Samtidigt som man erkänner att det fortfarande finns utrymme för förbättringar för att uppnå bildkvalitet som är jämförbar med kommersiella refraktiva linssystem, representerar detta arbete ett viktigt steg mot det målet.
Forskarna har generöst gjort sitt MTF-tekniska ramverk, kallat "metabox", tillgängligt online via GitHub, och bjudit in andra att använda det för att designa sin egen meta-optik. Forskargruppen uttryckte entusiasm över de potentiella verk som kan komma från användningen av metabox i det bredare forskarsamhället.
UW ECE-anslutna gruppmedlemmar inkluderade nyligen alumner Luocheng Huang (tidningens huvudförfattare) och Zheyi Han, postdoktorala forskarna Saswata Mukherjee, Johannes Fröch och Quentin Tanguy samt UW ECE professor Karl Böhringer, som är chef för Institutet för Nano -Konstruerade system vid UW.
Mer information: Luocheng Huang et al, Bredbandsvärmebilder med metaoptik, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45904-w
Tillhandahålls av University of Washington - Department of Electrical &Computer Engineering
