Çok renkli lenslerin üretilmesine yeni bir yaklaşım, telefonlar ve dronlar gibi taşınabilir cihazlar için yeni nesil küçük, ucuz ve güçlü optiklere ilham verebilir.
Tasarım, Avustralya Ulusal Üniversitesi’ndeki Fizik Sistemleri Araştırma Okulu’ndan ve Transformation Meta-Optical Merkezi (ARC Met-Optical Sistemleri Araştırma Okulu’ndan tasarımın ilk yazarı olan Joshua Jordaan’ın ilk yazarının, Polarize edilmemiş bir kaynaktan ve büyük bir çaptan bir dizi dalga boyunu aynı anda odaklamak için metamalzeme katmanlarını kullandığını söyledi.
“Tasarımımızın pratik cihazlar için uygulanabilir olmasını sağlayan birçok güzel özelliği var.”
Jordaan, “Üretimi kolaydır, çünkü düşük bir en boy oranına sahiptir ve her katman ayrı ayrı imal edilebilir ve daha sonra birlikte paketlenebilir. Aynı zamanda polarizasyon duyarsızdır ve olgun yarı iletken nanofabrikasyon platformları yoluyla potansiyel olarak ölçeklenebilir.” Dedi.
Proje, Uluslararası Araştırma Eğitim Grubu Meta-Active’in bir parçası olarak Almanya’daki Friedrich Schiller Üniversitesi Jena’dan araştırmacılar tarafından yönetildi. Tasarımlarını bildiren makale şurada yayınlandı Optics Express.
Metalensler, geleneksel lenslerden daha fazla büyüklük sıraları olan bir saç genişliğinin sadece kalınlığına sahiptir. Geleneksel optikler için imkansız bir şekilde kısa olacak odak uzunlukları gibi özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilirler.
Başlangıçta, ekip tek bir katmanla birden fazla dalga boyuna odaklanmaya çalıştı, ancak bazı temel kısıtlamalara karşı çıktılar.
“Tek katmanlı bir metasurfa yüzeyde elde edilebilecek maksimum grup gecikmesinin fiziksel sınırlamaları olduğu ortaya çıkıyor ve bunlar da sayısal diyafram, fiziksel çap ve çalışma bant genişliğinin ürününe üst sınırlar koyuyor.”
“İhtiyacımız olan dalga boyu aralığında çalışmak için, tek bir katmanın ya tasarımın amacını yenecek çok küçük bir çapa sahip olması gerekecek ya da temelde o kadar düşük sayısal bir açıklığa sahip olacak ve ışığı neredeyse hiç odaklamıyor.” Dedi.
Diyerek şöyle devam etti: “Daha karmaşık bir yapıya ihtiyacımız olduğunu fark ettik, bu da çok katmanlı bir yaklaşıma yol açtı.”
Tasarımın birkaç metalen katmanını birleştirmeye kaydırıldığında, ekip soruna şekil optimizasyonuna dayalı ters bir tasarım algoritması ile yaklaştı ve çok fazla serbestlik derecesi anlamına geliyordu.
Yazılımı, tek bir dalga boyu için Huygenler rezonansları olarak bilinen hem elektrik hem de manyetik dipolde basit rezonanslar yaratan metasurface şekillerini aramak için yönlendirdiler.
Rezonans kullanarak, ekip diğer gruplar tarafından önceki tasarımları geliştirebildi ve polarizasyondan bağımsız olan ve üretim spesifikasyonlarında daha fazla toleransa sahip olan metalens tasarımları geliştirebildi – üretimi endüstriyel miktarlara ölçeklendirme arayışında çok önemli.
Optimizasyon rutini, yuvarlak kareler, dört yapraklı yonca ve pervaneler gibi şaşırtıcı şekillerde bir metamalzeme elemanları kütüphanesi ile ortaya çıktı.
Yaklaşık 300 nm yüksekliğinde ve 1000 nm genişliğinde olan bu küçük şekiller, sıfırdan iki PI’ye kadar tüm faz kaymalarını kapsadı ve ekibin herhangi bir keyfi odaklama paterni elde etmek için bir faz gradyan haritası oluşturmasını sağladı – ancak başlangıçta sadece geleneksel bir lensin basit bir halka yapısını hedefliyorlardı.
Jordaan, “Örneğin, bir renk yönlendiricisi oluşturmak için farklı dalga boylarını farklı yerlere odaklayabiliriz.” Dedi.
Ancak, çok katmanlı yaklaşımın en fazla beş farklı dalga boyu ile sınırlı olduğunu söyledi.
“Sorun şu ki, daha kısa dalga boylarından kırınım almadan en uzun dalga boyunda rezonans olacak kadar büyük yapılara ihtiyacınız var.” Dedi.
Bu kısıtlamalar dahilinde Jordaan, çok fazla ışık toplamak için metalens yapma yeteneğinin gelecekteki taşınabilir görüntüleme sistemleri için bir nimet olacağını söyledi.
“Tasarladığımız metalensler, dronlar veya dünya gözlem uyduları için ideal olurdu, çünkü onları mümkün olduğunca küçük ve hafif yapmaya çalıştığımız.” Dedi.
