Une nouvelle approche algorithmique ouvre la voie à des métalenses plus grands et plus complexes

Les métasurfaces compactes et légères, qui utilisent des nanostructures spécialement conçues et modelées sur une surface plane pour focaliser, façonner et contrôler la lumière, sont une technologie prometteuse pour les applications portables, en particulier les systèmes de réalité virtuelle et augmentée. Aujourd’hui, les équipes de recherche conçoivent minutieusement le motif spécifique des nanostructures sur la surface pour atteindre la fonction souhaitée de la lentille, qu’il s’agisse de résoudre des caractéristiques à l’échelle nanométrique, de produire simultanément plusieurs images percevant la profondeur ou de focaliser la lumière quelle que soit la polarisation.

Si les métalènes doivent être utilisés commercialement dans les systèmes AR et VR, il faudra les augmenter considérablement, ce qui signifie que le nombre de nanopiliers se chiffrera en milliards. Comment les chercheurs peuvent-ils concevoir quelque chose d’aussi complexe ? C’est là qu’intervient l’intelligence artificielle.

Dans un article récent, publié dans Communication Natureune équipe de chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a décrit une nouvelle méthode de conception de métasurfaces à grande échelle qui utilise des techniques d’intelligence artificielle pour générer automatiquement des conceptions .

« Cet article jette les bases et l’approche de conception qui peuvent influencer de nombreux dispositifs du monde réel », a déclaré Federico Capasso, professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS et auteur principal de l’article. « Nos méthodes permettront de nouvelles conceptions de métasurface qui peuvent avoir un impact sur la réalité virtuelle ou augmentée, les voitures autonomes et la vision artificielle pour les systèmes embarqués et les satellites. »

Jusqu’à présent, les chercheurs avaient besoin d’années de connaissances et d’expérience dans le domaine pour concevoir une métasurface.

« Nous avons été guidés par une conception basée sur l’intuition, en s’appuyant fortement sur sa formation en physique, qui a été limitée dans le nombre de paramètres pouvant être pris en compte simultanément, limités comme nous le sommes par la capacité de mémoire de travail humaine », a déclaré Zhaoyi Li, chercheur associé à SEAS et co-auteur principal de l’article.

Pour surmonter ces limites, l’équipe a enseigné à un programme informatique la physique de la conception des métasurfaces. Le programme utilise les bases de la physique pour générer automatiquement des conceptions de métasurface, en concevant des millions à des milliards de paramètres simultanément.

Il s’agit d’un processus de conception inverse, ce qui signifie que les chercheurs commencent par une fonction souhaitée du métal, telle qu’une lentille capable de corriger l’aberration chromatique, et que le programme trouve les meilleures géométries de conception pour atteindre cet objectif à l’aide de ses algorithmes de calcul.

« Laisser un ordinateur prendre une décision est intrinsèquement effrayant, mais nous avons démontré que notre programme peut agir comme une boussole, indiquant la voie vers la conception optimale », a déclaré Raphaël Pestourie, associé postdoctoral au MIT et co-auteur principal de l’article. « De plus, l’ensemble du processus de conception prend moins d’une journée avec un ordinateur portable à processeur unique, par rapport à l’approche précédente, qui prendrait des mois pour simuler une seule métasurface de 1 cm de diamètre travaillant dans le spectre visible de la lumière. »

« Il s’agit d’une augmentation d’ordres de grandeur de l’échelle de conception inverse pour les dispositifs photoniques nanostructurés, générant des dispositifs de dizaines de milliers de longueurs d’onde de diamètre par rapport à des centaines dans les travaux précédents, et cela ouvre de nouvelles classes d’applications pour la découverte informatique », a déclaré Steven G. Johnson, professeur de mathématiques appliquées et de physique au MIT et co-auteur correspondant de l’article.

Sur la base de la nouvelle approche, l’équipe de recherche a conçu et fabriqué un méta-oculaire achromatique RVB insensible à la polarisation à l’échelle centimétrique pour une plate-forme de réalité virtuelle (RV).

« Notre plate-forme VR présentée est basée sur un méta-oculaire et un micro-LCD rétro-éclairé par laser, qui offre de nombreuses fonctionnalités souhaitables, notamment la compacité, la légèreté, la haute résolution, une large gamme de couleurs, etc. », a déclaré Li. « Nous pensons que la métasurface, une forme d’optique plate, ouvre une nouvelle voie pour remodeler l’avenir de la réalité virtuelle. »

La recherche est co-écrite par Joon-Suh Park et Yao-Wei Huang.