Новости

Jun 15, 2023

Инверсивная конструкция позволяет использовать большие

Nature Communications, том 13, Номер статьи: 2409 (2022) Цитировать эту статью 15 тыс. Доступов 38 Цитирований 99 Подробности об альтернативных метриках Метаоптика добилась крупных прорывов за последнее десятилетие;

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2409 (2022) Цитировать эту статью

15 тысяч доступов

38 цитат

99 Альтметрика

Подробности о метриках

Метаоптика добилась крупных прорывов за последнее десятилетие; однако традиционная передовая конструкция сталкивается с проблемами по мере увеличения функциональности и увеличения размера устройства. Инверсное проектирование направлено на оптимизацию конструкции метаоптики, но в настоящее время оно ограничено дорогостоящими численными решателями методом грубой силы для небольших устройств, которые также трудно реализовать экспериментально. Здесь мы представляем общую структуру обратного проектирования для апериодической крупномасштабной (20k × 20k λ2) сложной метаоптики в трех измерениях, которая снижает вычислительные затраты как для моделирования, так и для оптимизации с помощью быстрого приближенного решателя и сопряженного метода соответственно. Наша структура естественным образом учитывает производственные ограничения с помощью суррогатной модели. В экспериментах мы демонстрируем работающие в видимом диапазоне металинзы с коррекцией аберраций, с высокой числовой апертурой, полихроматической фокусировкой и большим диаметром вплоть до сантиметрового масштаба. Такая крупномасштабная метаоптика открывает новую парадигму для приложений, и мы демонстрируем ее потенциал для будущих платформ виртуальной реальности, используя метаокуляр и микрожидкокристаллический дисплей с лазерной задней подсветкой.

Метаоптика, новый класс планарной оптики, изменила структуру электромагнитных волн, используя искусственные субволновые компоненты или «метаатомы»1,2,3,4,5,6. Недавние прорывы в физике7,8,9,10,11 и достижения в крупномасштабном производстве метаоптики12,13,14 вдохновляют на видение будущего, в котором метаоптика будет широко использоваться. Недавние исследования продемонстрировали передовые технологии, основанные на метаоптических платформах, таких как камеры поляризации/светового поля/глубины15,16,17,18, OLED с метаповерхностью19, системы виртуальной/дополненной реальности20,21, компактные спектрометры22,23 ,24 и т. д. До сих пор основной дизайн метаоптики в основном основан на «прямой» методологии, в которой каждый отдельный компонент метаатома (как фазовращатель) проектируется независимо, в соответствии с заранее заданным фазовым профилем25. , 26. Передовой дизайн продемонстрировал успех в реализации простых функций устройства, таких как изгиб одноволновой волны27,28,29 или фокусировка;30,31 однако он в значительной степени опирается на априорные интуитивные знания и ограничивает разработку крупномасштабной сложной метаоптики, которая может реализовать множество пользовательских функций в зависимости от длин волн, поляризации, вращения и углов падающего света. По мере увеличения сложности, диаметра или ограничений задачи проектирования способность прямого метода поиска оптимального решения становится все слабее и слабее. Будущее развитие метаоптики требует прорыва в философии дизайна.

В отличие от прямого проектирования, обратное проектирование начинается с желаемых функций и оптимизирует геометрию конструкции с помощью вычислительных алгоритмов. Это был полезный инструмент при решении масштабных сложных инженерных задач, таких как оптимизация формы мостов или крыльев самолетов. В последние годы инверсный дизайн изменил ландшафт фотоники. Было изучено множество разновидностей методов обратного проектирования: методы топологической оптимизации, которые используют инструмент оптимизации на основе локального градиента для поиска оптимальной фотонной геометрии32,33; и методы машинного обучения34,35,36, которые обучают нейронную сеть находить дизайн для данного ответа37 или обучают генеративную сеть (например, генеративно-состязательную сеть) выборке высокопроизводительных проектов38. Недавнее развитие обратного проектирования в фотонике оптимизирует геометрию и параметры постобработки от начала до конца39,40,41. Инверсный дизайн продемонстрировал значительный успех в оптимизации фотонных кристаллов42, встроенной нанофотоники43,44, метаповерхностей45,46 и других устройств.

Инверсный дизайн остается очень сложной задачей для апериодической крупномасштабной метаоптики. Оптимизация опирается на множество итераций моделирования, которые становятся вычислительно неразрешимыми по мере увеличения размеров конструкции из-за многомасштабного характера проблем проектирования47: наноразмерный метаатом (нм) и макромасштабная метаоптика (100 с от мкм до см). С одной стороны, нереально смоделировать апериодическое 3D-устройство диаметром 1 см с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD) или метода конечных элементов, которые могут охватывать физику на наномасштабе, но ограничены как вычислениями, так и методами анализа конечных элементов. время и объем памяти. Например, решателю FDTD требуется ~100 часов времени и ~100 гигабайт оперативной памяти для моделирования метаповерхностного устройства размером 50 мкм2 (при условии размера сетки 5 нм). С другой стороны, моделирование трассировки лучей, которое подходит для крупномасштабного проектирования оптики, не может отразить полноволновую природу оптического поля. Они также допускают только медленно меняющиеся фазовые профили, исключая богатую физику быстро меняющихся фазовых волновых фронтов, предлагаемую искусственными метаатомами. Насколько нам известно, диаметр полностью трехмерных метаповерхностей инверсной конструкции ограничен примерно 200λ48,49,50,51, то есть примерно 100 мкм для видимого света. Кроме того, наша среда обратного проектирования учитывает производственные ограничения внутри суррогатной модели, в отличие от большинства структур обратного проектирования, которым необходимо добавлять эти ограничения во время оптимизации52.