7 دقیقه
یک جهت جدید برای اپتیک تخت
پژوهشگرانی که روی قطعات اپتیکی نسل بعدی کار میکنند از متاسر‌فس‌های تکلایه عبور کرده و به معماری عدسیهای فلتی چندلایه‌ای روی آورده‌اند که قابلیت‌های اپتیک تخت را گسترش می‌دهد. به‌جای ادامه دادن با اصلاحات جزئی در طراحی‌های متداول، تیم یک روند طراحی معکوس مبتنی بر بهینه‌سازی شکل را اتخاذ کرد. این تغییر آزادی طراحی بسیار بیشتر و بهبودهای عملی در عملکرد و ساخت‌پذیری فراهم کرد.
از محدودیت‌های تک‌سطحی تا آزادی لایه‌ای
تصمیم برای استفاده از عدسی چندلایه از یک محدودیت طراحی نشئت گرفت: متاسر‌فس‌های تکلایه در کنترل همزمان فاز، دامنه و پلاریزاسیون تحت شرایط گسترده مشکل دارند. با افزودن چند لایه متاسرفس در فواصل نزدیک، پژوهشگران فضای طراحی بزرگ‌تری باز کردند و سپس از یک الگوریتم خودکار برای کاوش آن استفاده کردند. روتین طراحی معکوس انواع زیادی از هندسه‌های عناصر نانوساختاری را پارامتریزه و به‌صورت تکراری ساختارهایی را جستجو کرد که پاسخ نوری موردنظر را در طولموجهای هدف تولید کنند.
به‌جای ساخت دستی هر عنصر، الگوریتم هدایت شد تا هندسه‌های متاسر‌فسی را پیدا کند که تشدیدهای همزمان دوپل الکتریکی و مغناطیسی را در همان طولموج ایجاد میکنند — وضعیتی که معمولاً به‌عنوان تشدیدهای هویگنِرس شناخته می‌شود. بهره‌گیری از این تشدیدها امکان کنترل کامل فاز از 0 تا 2π در یک طولموج خاص را فراهم کرد در حالی که طراحی‌ها نسبت به پلاریزاسیون و تلورانس‌های ساخت مقاوم باقی می‌مانند. این ویژگی‌ها برای گذار از نمونه‌های آزمایشگاهی به تولید گسترده در اپتیک صنعتی و تجاری حیاتی‌اند.
هندسه‌های غیرمنتظره از طراحی خودکار
روتین بهینه‌سازی مجموعه‌ای متنوع و شگفت‌آور از عناصر متامتریال تولید کرد. به‌جای میله‌های ساده یا ستونک‌های دایره‌ای، الگوریتم اشکالی مانند مربع‌های گرد، موتیف‌های چهاربرگی و ساختارهای کوچک شبیه پروانه بازگرداند. هر عنصر برای ایجاد شیفت فاز مشخص و جفت کردن پاسخ‌های الکتریکی و مغناطیسی به‌روش مدنظر تنظیم شده بود.
این بلوک‌های سازنده بسیار کوچک‌اند — در حدود چند صد نانومتر ارتفاع و تقریباً هزار نانومتر عرض — و در مجموع محدوده کامل فاز لازم برای شکل‌دهی جبهه موج را پوشش می‌دهند. با نقشه گرادیان فاز ساخته‌شده از این عناصر، تیم قادر بود الگوهای فوکوس دلخواه تولید کند، نه تنها نقطه مرسوم یک عدسی معمولی. در ابتدا گروه هدف یک فوکوس دایره‌ای ساده بود، اما همان جعبه ابزار می‌تواند حلقه‌ها، نقاط فوکوس خارج از محور یا توزیعات پیچیده‌تر فوکوس را تولید کند.
دستاوردهای این رویکرد
بهبودهای کلیدی که این رویکرد امکان‌پذیر میسازد عبارت‌اند از:
- حساسیت کم به پلاریزاسیون: طراحی‌های مبتنی بر تشدیدهای زوج الکتریکی و مغناطیسی وابستگی به پلاریزاسیون ورودی را کاهش می‌دهند.
- تلورانس ساخت: متاسر‌فس‌های بهینه‌شده از نظر شکل نسبت به تغییرات لیتوگرافی مقاومت بیشتری نشان می‌دهند که به افزایش بازده در تولید کمک می‌کند.
- کنترل فاز: کتابخانه عناصر پوشش‌دهنده شیفت‌های فاز از 0 تا 2π امکان مهندسی دقیق جبهه موج را فراهم می‌کند.
این مزایا عدسیهای فلتی چندلایه را برای کاربردهای واقعی تصویربرداری و حسگری که در آن ثبات و تولید انبوه اهمیت دارد جذاب‌تر میسازد.
معادلات و محدودیت‌های طولموج
استراتژی چندلایه بدون محدودیت نیست. یک محدودیت عملی تعداد طولموجهایی است که می‌توان به‌طور همزمان مدیریت کرد. به گفته تیم تحقیقاتی، انباشتن چند لایه برای هدایت یا فوکوس مجموعه محدودی از طولموجهای گسسته — تا حدود پنج طولموج — مؤثر است قبل از آنکه اثرات تفرق و مصالحه‌های مربوط به اندازه تشدیدها شروع به مزاحمت کنند.
این حد از دو نیاز متضاد ناشی می‌شود. برای تشدید در بلندترین طولموج هدف، عناصر باید به‌اندازه کافی بزرگ باشند؛ با این حال، آن ویژگی‌های بزرگ می‌توانند طولموجهای کوتاه‌تر را به‌صورت ناخواسته پراکنده کنند. متعادل‌کردن اندازه تشدید و سرکوب تفرق سقف عملی را برای تعداد طولموجهای مجزایی که یک مجموعه چندلایه می‌تواند به‌طور قابل‌اطمینانی اداره کند تعیین می‌کند.
نقل‌قول از آزمایشگاه
پژوهشگر دکتری جاشوا جوردان، که بخش بزرگی از حل مسئله‌ها را در آزمایشگاه هدایت کرد، این تغییر رویکرد را این‌گونه توصیف کرد: 'ما دریافتیم که به ساختاری پیچیده‌تر نیاز داریم که در پی آن رویکرد چندلایه به‌وجود آمد.' او افزود که طراحی‌های چندلایه به تیم اجازه می‌دهد کارهای هوشمندانه‌ای مانند هدایت رنگ‌های مختلف به موقعیت‌های فوکوس متفاوت را انجام دهد — اساساً یک روتر رنگ فشرده — اما این روش در حال حاضر برای چند طولموج بهتر کار می‌کند تا یک طیف پهن کامل.
کاربردها: اپتیک سبک و با جمع‌آوری نور بالا
در چارچوب محدودیت‌های عملی طولموج، عدسیهای فلتی چندلایه مزیت‌های قانع‌کننده‌ای برای سیستمهای تصویربرداری قابلحمل و مأموریت‌محور ارائه می‌دهند. چون این عدسیها تخت، بسیار نازک و از ساختارهای زیرطول‌موجی ساخته شده‌اند، می‌توانند اندازه، وزن و مصرف انرژی (SWaP) را در مقایسه با اپتیک‌های شیشه‌ای سنتی به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهند.
موارد استفاده بالقوه شامل:
- پهپادها و هواپیماهای بدون سرنشین: ماژول‌های تصویربرداری سبک‌تر و با پروفیل پایین‌تر برای زمان پرواز طولانی‌تر و تثبیت آسان‌تر.
- کیوبستها و پلتفرم‌های پایش زمین: اپتیک فشرده که جرم پرتاب را کاهش داده و در عین حال جمع‌آوری نور را حفظ می‌کند.
- ابزارهای علمی قابلحمل: طیف‌سنج‌ها یا میکروسکوپ‌های مینیاتوری که در آن فضا و وزن اهمیت دارند.
جوردان اشاره کرد که تیم طراحی‌ها را با توجه به این کاربردها کوچک و سبک نگه‌داشتند و این رویکرد را به‌ویژه برای بازارهای سنجش از دور و تصویربرداری موبایل مرتبط میسازد.
زمینه بازار و مقایسه
اپتیک تخت و متاسر‌فس‌ها در یک دهه گذشته حوزه پژوهشی فعالی بوده‌اند، با عدسیهای فلتی تکلایه پیشین که قابلیت‌های چشمگیری نشان دادند اما اغلب با مصالحه‌هایی در حساسیت به پلاریزاسیون، کارایی و ساخت‌پذیری روبه‌رو شدند. رویکرد چندلایه و بهینه‌شده بر اساس شکل بسیاری از این نقاط ضعف را برطرف می‌کند و آن را به سمت پذیرش صنعتی نزدیک‌تر می‌نماید.
در مقایسه با عدسیهای شیشه‌ای چندعنصری متداول، عدسیهای فلتی چندلایه می‌توانند در حجم بالا هزینه کمتری ارائه دهند — به شرطی که فرایندهای ساخت استاندارد شوند. در مقایسه با متاسر‌فس‌های تکلایه، طراحی‌های انباشته انعطاف‌پذیری و مقاومت بیشتری به‌دست می‌دهند اما با هزینه افزایش پیچیدگی ساخت همراه‌اند.
چشم‌انداز: پذیرش کوتاه‌مدت و تحقیق آینده
چشم‌انداز فوری واقع‌بینانه است. عدسیهای فلتی چندلایه در کوتاه‌مدت احتمالاً جایگزین اپتیک‌های باکیفیت شیشه‌ای در همه کاربردها نخواهند شد، اما برای حوزه‌هایی که اندازه، وزن و کنترل تخصصی جبهه موج اهمیت دارد مناسب‌اند. پژوهش برای گسترش پهنای باند، بهبود کارایی در چند طولموج و اصلاح تولید مقیاس‌پذیر ادامه خواهد داشت.
زمینه‌هایی که احتمالاً کار بیشتری در آنها ادامه می‌یابد شامل:
- طراحی‌های پهن‌باند بهتر که مصالحه‌های تفرق را کاهش دهند.
- ادغام با آشکارسازها و حسگرها برای ایجاد ماژول‌های تصویربرداری فشرده.
- مهندسی فرایند برای افزایش بازده و کاهش هزینه در تولید انبوه.
نکتهٔ کلیدی
با ترکیب طراحی معکوس و بهینه‌سازی شکل با معماری متاسرفس چندلایه، پژوهشگران طراحی‌های عدسی فلتی تولید کرده‌اند که نسبت به خطای ساخت مقاوم‌تر و کمتر حساس به پلاریزاسیون هستند در حالی که کنترل انعطاف‌پذیر جبهه موج را ارائه می‌دهند. این قوت‌ها عدسیهای فلتی چندلایه را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای سیستمهای تصویربرداری سبک‌وزن در پهپادها، ماهواره‌ها و دیگر دستگاه‌های قابلحمل تبدیل می‌کند — به شرط آنکه محدودیت در تعداد طولموج همزمان برای کاربرد هدف قابل‌پذیرش باشد. با توسعه ابزارهای طراحی و مقیاس‌بندی نانوساخت، انتظار می‌رود این اپتیک‌های تخت و پرکارایی از آزمایشگاه‌ها به محصولات عملی منتقل شوند.
منبع: scitechdaily
نظرات