Neuer Algorithmus-Ansatz ebnet den Weg für größere, komplexere Metallenses

Kompakte und leichte Metaoberflächen – die speziell entworfene und gemusterte Nanostrukturen auf einer flachen Oberfläche verwenden, um Licht zu fokussieren, zu formen und zu steuern – sind eine vielversprechende Technologie für tragbare Anwendungen, insbesondere für Virtual- und Augmented-Reality-Systeme. Heutzutage entwerfen Forschungsteams akribisch das spezifische Muster von Nanostrukturen auf der Oberfläche, um die gewünschte Funktion der Linse zu erreichen, sei es die Auflösung nanoskaliger Merkmale, die gleichzeitige Erzeugung mehrerer Tiefenwahrnehmungsbilder oder die Fokussierung von Licht unabhängig von der Polarisation.

Wenn die Metalens kommerziell in AR- und VR-Systemen eingesetzt werden sollen, müssen sie erheblich vergrößert werden, was bedeutet, dass die Anzahl der Nanosäulen in die Milliarden gehen wird. Wie können Forscher etwas so Komplexes entwerfen? Da kommt künstliche Intelligenz ins Spiel.

In einem kürzlich erschienenen Artikel, veröffentlicht in Naturkommunikationbeschrieb ein Forscherteam der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine neue Methode zum Entwerfen großflächiger Metaoberflächen, bei der Techniken der maschinellen Intelligenz zur automatischen Generierung von Entwürfen verwendet werden .

„Dieser Artikel legt die Grundlagen und den Designansatz, der viele reale Geräte beeinflussen kann“, sagte Federico Capasso, Robert L. Wallace-Professor für Angewandte Physik und Vinton Hayes Senior Research Fellow für Elektrotechnik am SEAS und leitender Autor des Artikels. „Unsere Methoden werden neue Metaoberflächendesigns ermöglichen, die sich auf virtuelle oder erweiterte Realität, selbstfahrende Autos und maschinelles Sehen für eingeschiffte Systeme und Satelliten auswirken können.“

Bisher brauchten Forscher jahrelanges Wissen und Erfahrung auf diesem Gebiet, um eine Metaoberfläche zu entwerfen.

„Wir haben uns von einem auf Intuition basierenden Design leiten lassen und uns stark auf die eigene Ausbildung in Physik verlassen, die in der Anzahl der Parameter, die gleichzeitig berücksichtigt werden können, begrenzt war, da wir durch die Kapazität des menschlichen Arbeitsgedächtnisses begrenzt sind“, sagte Zhaoyi Li. ein wissenschaftlicher Mitarbeiter bei SEAS und Co-Hauptautor des Papiers.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, brachte das Team einem Computerprogramm die Physik des Metaoberflächendesigns bei. Das Programm nutzt die Grundlagen der Physik, um Metaoberflächen-Designs automatisch zu generieren und Millionen bis Milliarden von Parametern gleichzeitig zu entwerfen.

Dies ist ein inverser Designprozess, d. h. die Forscher beginnen mit einer gewünschten Funktion der Metalllinse – beispielsweise einer Linse, die chromatische Aberration korrigieren kann – und das Programm findet mithilfe seiner Rechenalgorithmen die besten Designgeometrien, um dieses Ziel zu erreichen.

„Einen Computer eine Entscheidung treffen zu lassen, ist von Natur aus beängstigend, aber wir haben gezeigt, dass unser Programm als Kompass fungieren kann, der den Weg zum optimalen Design weist“, sagte Raphaël Pestourie, Postdoktorand am MIT und Co-Hauptautor der Arbeit. „Darüber hinaus dauert der gesamte Designprozess mit einem Laptop mit einer CPU weniger als einen Tag, verglichen mit dem vorherigen Ansatz, der Monate dauern würde, um eine einzelne Metaoberfläche mit einem Durchmesser von 1 cm zu simulieren, die im sichtbaren Lichtspektrum arbeitet.“

„Dies ist eine Größenordnungssteigerung im Umfang des inversen Designs für nanostrukturierte photonische Geräte, die Geräte mit einem Durchmesser von Zehntausenden von Wellenlängen im Vergleich zu Hunderten in früheren Arbeiten erzeugen, und es eröffnet neue Klassen von Anwendungen für die computergestützte Entdeckung.“ sagte Steven G. Johnson, Professor für Angewandte Mathematik und Physik am MIT und Mitautor der Veröffentlichung.

Basierend auf dem neuen Ansatz entwarf und fertigte das Forschungsteam ein zentimetergroßes, polarisationsunempfindliches RGB-achromatisches Meta-Okular für eine Plattform für virtuelle Realität (VR).

„Unsere vorgestellte VR-Plattform basiert auf einem Meta-Okular und einem laserrückseitig beleuchteten Mikro-LCD, das viele wünschenswerte Merkmale bietet, darunter Kompaktheit, geringes Gewicht, hohe Auflösung, breiter Farbraum und mehr“, sagte Li. „Wir glauben, dass die Metaoberfläche, eine Form der flachen Optik, einen neuen Weg eröffnet, um die Zukunft von VR neu zu gestalten.“

Die Studie wurde gemeinsam von Joon-Suh Park und Yao-Wei Huang verfasst.