Yeni metasurface tasarımı optik alanları üç boyutlu olarak kontrol edebiliyor

Yeni metasurface tasarımı optik alanları üç boyutlu olarak kontrol edebiliyor
Yazıyı beğendiyseniz lütfen Paylaşın


Yeni metasurface tasarımı optik alanları üç boyutlu olarak kontrol edebiliyor

Optik elemanın yüzeyinin taramalı elektron mikrografisi görüntüsü. Kredi: James Whitehead / Washington Üniversitesi

Washington Üniversitesi'nden bilim adamları tarafından yönetilen bir ekip, ışığı nano ölçekli hassasiyetle değiştirebilecek bir 3-D basılı meta malzeme tasarlamış ve test etmiştir. Dergide 4 Ekim'de yayınlanan bir makalede yer aldıkları gibi Bilimsel Gelişmelertasarlanmış optik elemanları, 3B sarmal desende ışığı ayrı noktalara odaklar.

Ekibin tasarım ilkeleri ve deneysel bulguları, üç boyutta yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip optik alanları hassas biçimde manipüle edebilen meta malzeme cihazların modellenmesinin ve inşa edilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir. Ekip, optik elemanlarının ışığa odaklanması için sarmal bir sarmal (sarmal sarmal) seçmesine rağmen, yaklaşımı, ışığı diğer kalıplarda kontrol eden ve odaklayan optik elemanlar tasarlamak için kullanılabilir.

Işık üzerinde bu hassas kontrol seviyesine sahip cihazlar, sadece lensler veya retroreflektörler gibi günümüzün optik elemanlarını küçültmek için değil, aynı zamanda yeni çeşitleri de gerçekleştirmek için kullanılabilir. Ek olarak, optik alanların üç boyutta tasarlanması, otonom taşıma için ultra kompakt derinlik sensörlerinin yanı sıra sanal veya artırılmış gerçeklik kulaklıklarındaki ekranlar ve sensörler için optik elemanların oluşturulmasını sağlayabilir.

UW'de elektrik ve bilgisayar mühendisliği ve fizik profesörü olan Yardımcı Yazar Arka Majumdar ve '' Günlük yaşamımızda karşımıza çıkan optikler '' bu rapor edilen cihazın kırılma optiğinde klasik bir analoğu yok '' dedi. UW, Nano Mühendisli Sistemler Enstitüsü ve Moleküler ve Mühendislik Bilimleri Enstitüsü. “Daha önce bu yetenekler seti ile hiç kimse böyle bir cihaz yapmamıştı.”

Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı ve Dayton Üniversitesi Araştırma Enstitüsü'nün araştırmacılarını içeren ekip, optik element tasarımı için optik meta malzeme alanında daha az kullanılan bir yaklaşım benimsemiştir: ters tasarım. Ters tasarımı kullanarak, oluşturmak istedikleri optik alan profili türüyle (sarmal bir düzende sekiz odaklanmış ışık noktası) başlamış ve bu kalıbı oluşturacak meta malzeme bir yüzey tasarlamıştır.

Majumdar, “Belirli bir işlevsellik verilen bir optik elemanın uygun yapısını her zaman sezgisel olarak bilmiyoruz” dedi. “Tersine tasarımın girdiği yer burası: Algoritmanın optiği tasarlamasına izin veriyorsunuz.”

Bu yaklaşım basit görünmekle birlikte, deneme yanılma tasarım yöntemlerinin sakıncalarından kaçınırken, ters tasarım, optik olarak aktif olan geniş alanlı meta malzemeler için yaygın olarak kullanılmaz, çünkü çok sayıda simülasyon gerektirir, ters tasarımı hesaplamalı olarak yoğunlaştırır.

Burada ekip, son zamanlarda UW'yi fizik doktora derecesiyle bitiren makalenin baş yazarı Alan Zhan'ın verdiği içgörü sayesinde bu tuzaktan kaçındı. Zhan, ekibin optik elementi tasarlamak için Mie saçılma teorisini kullanabileceğini fark etti. Mie saçılması, belirli bir dalga boyundaki ışık dalgalarının optik dalga boyuna benzer boyuttaki küreler veya silindirler tarafından nasıl dağıldığını açıklar. Mie saçılma teorisi, vitraydaki metalik nanoparçacıkların bazı kilise pencerelerine nasıl koyu renk verebildiğini ve diğer vitray yapıların, ışığın farklı dalga boylarında nasıl renk değiştirdiğini açıklıyor.

Yeni metasurface tasarımı optik alanları üç boyutlu olarak kontrol edebiliyor

Bu görüntüler 1,550 nanometre optik elemanın performansını göstermektedir. Görüntüler, optik elemanın yüzeyinde yaklaşık 185 mikrometre göründüğü için optik alanın ışık şiddeti profilleridir. Sol tarafta, optik elemanın nasıl performans göstereceğini öngören simüle edilmiş bir ışık şiddeti profili var. Görüntünün merkezine yakın bir odak noktasını not edin. Sağ tarafta, optik öğenin gerçek ışık şiddeti profili, cihazın öngörülen yerde odak ışık noktası oluşturduğunu gösteriyor. Araştırmacılar, elementi, ışığın elementin yüzeyinin üzerindeki farklı mesafelere bu noktalara odaklanması için tasarladılar. Ölçek çubuğu 10 mikrometredir. Kredi: Alan Zhan / Washington Üniversitesi

Zhan, "Mie saçılma teorisi uygulamamız, belirli şekillere (kürelere) özgüdür; bu şekilleri, optik elemanın tasarımına dahil etmek zorunda kaldık," dedi. “Ancak, Mie saçılma teorisine dayanarak, tasarım ve simülasyon sürecini önemli ölçüde basitleştirdik çünkü optik element ile etkileşime girdiğinde ışığın özellikleri hakkında çok spesifik, çok kesin hesaplamalar yapabilirdik.”

Onların yaklaşımı, silindirler ve elipsoidler gibi farklı geometrileri içermek için kullanılabilir.

Ekibin tasarladığı optik eleman, temel olarak, periyodik bir kare kafes şeklinde düzenlenmiş, farklı boyutlarda binlerce küçük alanda kaplanmış bir yüzeydir. Küreleri kullanmak tasarımı basitleştirdi ve ekip, UW kampüsündeki Washington Nanofabrication Facility'de iki prototip optik elementi – sadece 0.02 santim uzunluğunda iki tarafı daha büyük olan – iki tarafın daha büyük olanlarını imal etmek için ticari olarak temin edilebilir bir 3 boyutlu yazıcı kullandı. Optik elemanlar, cam yüzeylerdeki ultraviyole epoksiden 3 boyutlu olarak basıldı. Bir eleman ışığı 1.550 nanometreye, diğeri 3.000 nanometreye odaklamak için tasarlandı.

Araştırmacılar optik elemanları bir mikroskop altında görselleştirerek ne kadar iyi performans gösterdiklerini görmek için görselleştirdiler – 3 boyutlu sarmal desen boyunca sekiz spesifik noktada 1,550 ya da 3,000 nanometreye odaklandılar. Mikroskop altında, en çok odaklanan ışık noktaları, ekibin teorik simülasyonları tarafından öngörülen pozisyonlarda idi. Örneğin, 1,550 nanometre dalga boyu cihazı için, sekiz odak noktasından altısı öngörülen konumda idi. Kalan iki sadece küçük sapmalar gösterdi.

Ekip, prototiplerinin yüksek performansıyla, arka plan ışık seviyelerini azaltmak ve odak noktalarının yerleştirme doğruluğunu artırmak için tasarım sürecini geliştirmek ve Mie saçılma teorisi ile uyumlu diğer tasarım öğelerini dahil etmek istiyor.

Majumdar, "Şimdi, temel tasarım ilkelerinin işe yaradığını gösterdiğimize göre, imalatta bu hassasiyet düzeyinde devam edebileceğimiz pek çok yol var" dedi.

Özellikle umut vaat eden yönlerden biri gerçek hacimli, 3 boyutlu bir meta malzeme oluşturmak için tek bir yüzeyin ötesine geçmek.

Majumdar, "3 boyutlu baskı, bu yüzeylerden daha önce mümkün olmayan bir yığın oluşturmamızı sağlıyor" dedi.


Kaleidoscope ayna simetrisi, optik aletler ve teknolojiler için yeni tasarıma ilham veriyor


Daha fazla bilgi:
"Mie saçılması ile üç boyutlu optik alanların kontrolü" Bilimsel Gelişmeler (2019). advances.sciencemag.org/content/5/10/eaax4769

Tarafından sunulan
Washington Üniversitesi


Alıntı:
                                                 Yeni metasurface tasarımı optik alanları üç boyutta kontrol edebiliyor (2019, 4 Ekim)
                                                 6 Ekim 2019 tarihinde alındı
                                                 https://phys.org/news/2019-10-metasurface-optical-fields-dimensions.html adresinden

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amacıyla yapılan herhangi bir dürüst işlem dışında,
                                            Bölüm, yazılı izin olmadan çoğaltılabilir. İçerik sadece bilgi amaçlıdır.



Kaynak

admin

Talebemektebi bir sevdanın hikayesi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir