كيف ستُحدث العدسات الفوقية تحولاً في الأقمار الصناعية والطائرات المسيّرة

شهدت التقنيات البصرية تطورات كبيرة خلال العقود القليلة الماضية. واليوم تُعد تقنيات مثل العدسات الدقيقة مكوّناً أساسياً في أشياء نستخدمها يومياً، ومنها الهواتف الذكية. لذلك يصعب تخيّل الحياة من دونها. فمن كاميرا التعرّف إلى الوجه في هاتفك إلى برمجيات التصوير الطبي المتقدمة، تواصل العدسات الفوقية المصممة خصيصاً دفع الابتكار في قطاعات متعددة.

ما العدسات الفوقية؟ نشأتها وتطورها

تعود جذور البصريات القائمة على الأسطح الفوقية إلى أربعينيات القرن العشرين، حين طوّر W.E. Koch عدسات حيود للموجات الميكروية. ورغم أنها لم تكن عدسات فوقية بالمعنى المعروف اليوم، فقد أرست تلك التجارب المبكرة أسس تقنية العدسات المسطحة التي تطورت بعد عقود إلى العدسات الفوقية النانوية المستخدمة حالياً. وتُنسب إلى عدسات حيود الموجات الميكروية أولى التطبيقات الفعالة لهذه التقنية.

وبعد نحو خمسين عاماً، شهدت التقنية تحسينات مهمة خلال تسعينيات القرن العشرين. فقد ظهرت محازز متدرجة بأبعاد أصغر من الطول الموجي، أتاحت للمهندسين ضبط طور الضوء بدقة. كما قادت هذه التطورات إلى عدسات مصممة للعمل بأطوال موجية أقصر، ومهّدت لظهور الأنظمة المعتمدة على الأشعة تحت الحمراء.

اتساع نطاق التقنية

في عام 2016، حقق مهندسو البصريات في جامعة هارفارد قفزة أخرى عندما عرضوا عدسة فوقية تعمل بالأطوال الموجية المرئية باستخدام أعمدة نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم. مثّل هذا الابتكار محطة رئيسية في تطوير العدسات الفوقية ورفع مستوى أدائها.

وتُعد العدسات الفوقية مكوّناً مهماً في قطاع التقنية، وقد تقلصت أبعاد العدسات الحديثة إلى المقياس النانوي حتى أصبحت أرق من شعرة الإنسان. ولتحقيق ذلك يستخدم المهندسون الذرات الفوقية.

الذرات الفوقية

تُرتب هذه المشتتات المصممة خصيصاً، والتي تقل أبعادها عن الطول الموجي، في بنى مسطحة تمنح تحكماً فائق الدقة في الضوء. ويمكن للأجهزة الحالية ضبط استقطاب الموجات الضوئية وسعتها وطورها وترددها.

وتتيح هذه البنى تصميم أجهزة ذات أطوال بؤرية فائقة القِصر، ما يساعد على تصغير الأجهزة الإلكترونية. وربما لا ندرك أننا محاطون بالعدسات الفوقية يومياً، إذ تدخل في تطبيقات تمتد من الاتصالات والسفر إلى العلاجات الطبية.

التحديات الحالية أمام العدسات الفوقية

كان على المهندسين تجاوز عقبات تقنية عديدة لتحويل العدسات الفوقية إلى واقع. وعلى الرغم من التقدم المحرز في السنوات الأخيرة، ما زالت لهذه الأجهزة قيود تحول دون بلوغ كامل إمكاناتها.

أحد أبرز التحديات هو صعوبة توسيع نطاق التصنيع. فلم يتمكن المصنعون حتى الآن من إنتاج عدسات فوقية موثوقة بفتحات في نطاق السنتيمترات، وهي ضرورية للتشغيل عريض النطاق أو متعدد الأطوال الموجية.

ولا يزال تحقيق تأخر المجموعة (GD) المطلوب عائقاً أمام التطور. إذ يجب أن يتناسب الحد الأقصى المطلوب للتشتت الخطي للطور مع قطر العدسة؛ وإلا يصبح التركيز اللوني المصحح شبه مستحيل.

طبقات قابلة للتوسيع

حتى الآن لم يتمكن المهندسون إلا من استخدام عدسات فوقية نانوية أحادية الطبقة مع المواد العازلة المتاحة، ما قيّد قطر العدسة وخيارات التصميم. وحاولوا الالتفاف على ذلك باستخدام الطور الهندسي للتحكم بصورة مستقلة في الطور وتأخر المجموعة عبر السطح، لكن هذا النهج جعل العدسات حساسة للاستقطاب.

حتى وقت قريب، تعذّر صنع عدسات فوقية كبيرة بما يكفي للرنين عند أطول طول موجي من دون تعرضها لتداخل شديد من الأطوال الموجية الأقصر. غير أن فريقاً من المهندسين المبتكرين ربما توصل إلى حل لهذه المشكلات.

اسحب للتمرير ←

دراسة جديدة للعدسات الفوقية المخصصة للأقمار الصناعية والطائرات المسيّرة

تسلط الورقة البحثية Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses¹ المنشورة في مجلة Optics Express الضوء على أسلوب تصنيع ونهج جديدين للعدسات الفوقية. وقد عرضت الدراسة تصميماً متعدد الأطوال الموجية وغير حساس للاستقطاب، يستفيد من طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) لتحسين الأداء والقدرات.

النماذج

بدأ المهندسون باستخدام نماذج حاسوبية متقدمة لدراسة ملايين أشكال الأسطح الفوقية واختبار تأثيرها في الضوء. وأظهرت الحسابات تصاميم فريدة جمعها الفريق في مكتبة، شملت مربعات مستديرة الزوايا وأشكال البرسيم رباعي الأوراق والمراوح وغيرها من الأشكال غير المتوقعة. وتمكنت البرمجيات من التنبؤ بدقة برنينات هويغنز أحادية الطول الموجي في كل من ثنائي القطب الكهربائي والمغناطيسي.

المصدر: Australian National University

العدسات الفوقية

بعد تحديد الشكل الدقيق لأسطح البنى النانوية على العدسات، صمم المهندسون ذرات فوقية باستخدام طريقة التحسين العكسي للشكل لإنشاء عدسة فوقية متعددة المناطق ومهندسة التشتت.

طبقات أسطح هويغنز الفوقية

في هذه الاستراتيجية، تُرتب الذرات الفوقية بحيث تدعم رنينات ثنائية القطب كهربائية (ED) ومغناطيسية (MD) متداخلة طيفياً. ويُوزع تأخر المجموعة على مناطق عدة بحيث تبقى كل منطقة ضمن أقصى قيمة يمكن للذرات الفوقية تحقيقها.

حاول الفريق في البداية تركيز أطوال موجية متعددة بطبقة واحدة، لكنه أدرك سريعاً الحاجة إلى استراتيجية متعددة الأطوال الموجية. وخلص إلى أن استخدام عدة طبقات من أسطح هويغنز الفوقية هو الوسيلة المثلى لفصل أطوال موجية محددة وتعديلها.

استراتيجية الأطوال الموجية المتعددة

صُمم كل سطح فوقي من نوع هويغنز لتعديل طول موجي محدد مع الحفاظ على نفاذية عالية. كما تقلل هذه الاستراتيجية اضطراب الطور عند الأطوال الموجية الأخرى، ما يجعلها مثالية للنهج متعدد الطبقات الذي سعى إليه المهندسون.

تعمل طبقات المواد الفوقية معاً لتركيز نطاق من الأطوال الموجية الصادرة من مصدر غير مستقطب عبر قطر كبير. ويوفر ذلك طريقة موثوقة لتجاوز أقصى تأخر للمجموعة يمكن تحقيقه في سطح فوقي أحادي الطبقة، كما يلغي أخذ عينات الطور المتناثر في تصاميم التداخل المكاني.

وبذلك يستطيع المهندسون ضبط مكونات أساسية، منها الفتحة العددية والقطر الفيزيائي ونطاق التشغيل. وأشاروا إلى أن ابتكارهم يمكنه العمل بما يصل إلى خمسة أطوال موجية مختلفة مع أداء غير حساس للاستقطاب.

اختبار العدسات الفوقية لكاميرات الأقمار الصناعية والطائرات المسيّرة

لاختبار الجهاز، صمم العلماء وصنعوا عدسة فوقية تعمل عند 2000 و2340 نانومتراً بفتحة عددية (NA) مقدارها 0.11. ولم يتجاوز ارتفاع الجهاز 300 نانومتر وعرضه 1000 نانومتر، ولذلك لا يمكن رؤيته بالعين المجردة.

اختبر الفريق الجهاز عبر عدة أطوال موجية، وركز على النطاق الكامل لإزاحات الطور من الصفر إلى 2π وخطوات مهمة أخرى باستخدام المحاكاة. وقدمت العدسات أداءً مشابهاً لأجهزة أكبر بكثير، مع حاجتها إلى مساحة وطاقة أقل بكثير.

نتائج اختبار العدسات الفوقية

أكد الاختبار محاكاة المهندسين، وتفوق تصميم العدسة الفوقية على سابقاته. وحقق بنجاح دالة نقل تضمين (MTF) مُطبّعة، فيما بلغت كفاءة التركيز المطلقة 65% و56%. ورغم أن النتائج ليست مثالية، فإنها تمثل تحسناً كبيراً وتقرب التقنية من الأداء الأمثل لعدسة بهذا الحجم.

فوائد العدسات الفوقية لقطاع الطيران والفضاء وغيره

تتيح هذه العدسات الصغيرة دمج القدرات البصرية في مزيد من الأجهزة وتصميم منتجات أكثر إحكاماً. وستساعد إمكاناتها الإضافية على تحسين تجربة المستهلك ودفع الابتكار في مجالات الطيران والفضاء والطب وغيرها.

تحمل مرتفع لاختلال المحاذاة بين الطبقات

أثبت التصميم قدرة عالية على تحمل اختلال المحاذاة الجانبي. ففي هذا الجهاز لا تفصل كل طبقة عن التالية إلا مسافة ضئيلة جداً، ويحدث هذا الفصل ضمن المجال البعيد، ما يساعد تلقائياً على تقليل أثر سوء المحاذاة.

تصنيع أبسط

تبرهن الدراسة أيضاً على طريقة تصنيع جديدة تسمح بصنع كل طبقة على حدة ثم تجميع الوحدة لتكوين العدسة الفوقية الكاملة. وهذا أقل تكلفة بكثير من محاولة تصنيع الجهاز كله في عملية واحدة.

قابلية التوسع

يمكن توسيع عملية التصنيع لتلبية احتياجات القطاع، كما يمكن تكبير المنتج نفسه لملاءمة تطبيقات أكثر. ويعود ذلك إلى استخدام تقنيات متقدمة للتصنيع النانوي عبر السيليكون.

تطبيقات العدسات الفوقية لكاميرات الأقمار الصناعية والطائرات المسيّرة والجدول الزمني

ستسهم هذه الدراسة في دفع الابتكار وإنتاج جيل جديد من البصريات المجهرية القوية والميسورة التكلفة، لاستخدامها في الأجهزة المحمولة والقابلة للارتداء.

المجال الطبي

يمكن استخدام التقنية طبياً في تطبيقات تمتد من أنظمة التصوير المتقدمة إلى الأجهزة العلاجية القابلة للارتداء. وستمنح المتخصصين أدوات أكثر فاعلية واستدامة تعتمد على التقنية لمتابعة التعافي.

أنظمة السلامة

تلعب أجهزة التصوير عالية القدرة دوراً مهماً في التأكد من سلامة المكونات الحيوية. وقد تتمكن المستشعرات المصغرة مستقبلاً من تنبيه العاملين إلى مخاطر مثل الشقوق الدقيقة والمواد الكيميائية الخطرة وغيرها من تهديدات السلامة.

الفضاء الجوي

سيشهد قطاع الطيران والفضاء دمجاً سريعاً لهذه التقنية مع نضجها. وستُستخدم العدسات الفوقية في الطائرات المسيّرة والأقمار الصناعية وغيرها من التطبيقات، إذ يجعلها وزنها الخفيف وتصميمها المدمج مثالية حين يكون هذان العاملان حاسمين. ومن المرجح أن تكون طائرات الدرون وأقمار رصد الأرض من أوائل المستخدمين للعدسات الفوقية متعددة الطبقات.

المركبات الكهربائية

ستستخدم المركبات الكهربائية هذه التقنية لخفض وزن أنظمة القيادة الذكية. ومع اعتماد مزيد من المركبات على الذكاء الاصطناعي للقيادة وتجنب المخاطر آلياً، يواصل المصنعون البحث عن أنظمة بصرية فعالة وخفيفة الوزن. وسيساعدهم هذا التطور على إطالة عمر البطارية مع تحسين القدرات البصرية.

الجدول الزمني لوصول العدسات الفوقية

قد تحتاج التقنية من ثلاث إلى سبع سنوات قبل وصولها إلى السوق، ويمكن أن تندمج في الأجهزة الذكية الاستهلاكية خلال العقد المقبل. أما التطبيقات العسكرية فقد تصل في وقت أقصر لأن أقمار المراقبة والطائرات المسيّرة تمثل أولوية لهذه الجهات.

الباحثون المشاركون في الدراسة

قاد البحثَ كلٌ من Research School of Physics في Australian National University وARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS). وشارك أيضاً مهندسون من Friedrich Schiller University Jena في ألمانيا ضمن International Research Training Group Meta-ACTIVE. وتذكر الورقة Joshua Jordaan وAlexander E. Minovich وDragomir Neshev وIsabelle Staude بوصفهم المؤلفين الرئيسيين.

مستقبل العدسات الفوقية

يبدو مستقبل العدسات الفوقية واعداً، وستكون هذه الأجهزة فائقة الصغر مهمة لعمليات الطيران والفضاء. وسيركز المهندسون أبحاثهم على ملفات طور عشوائية متعددة الأطوال الموجية، بهدف تجاوز تطبيقات العدسات البسيطة السابقة ودمج تقنيات أخرى مثل الذكاء الاصطناعي لتحسين التصاميم المستقبلية.

شركة مبتكرة في قطاع البصريات

تهيمن شركات عدة على قطاع البصريات وتنفق ملايين الدولارات سنوياً على البحث والتطوير أملاً في ابتكار عدسات أكثر فاعلية. وفيما يلي شركة دفعت حدود الحوسبة البصرية إلى الأمام وتواصل إبرام شراكات رفيعة المستوى لدفع الابتكار.

Juniper Networks, Inc.

دخلت Juniper Networks Inc. السوق عام 1996 بصفتها شركة مصنعة لموجّهات الحاسوب، ويقع مقرها في ماونتن فيو بولاية كاليفورنيا. أسسها Pradeep Sindhu بمشاركة Dennis Bushnell وBjorn Liencres، وكان طموحهم تزويد الأسواق العالمية بموجّهات عالية الأداء ومهيأة لمتطلبات الحوسبة الحديثة.

بعد عامين من انطلاقها، قدمت Juniper موجّه M40 الذي حقق نجاحاً وساعد الشركة على توسيع عملياتها. واليوم توفر محفظة متكاملة من المنتجات البصرية المتوافقة مع المعايير، تشمل أجهزة الإرسال والاستقبال البصرية ذات الكشف المباشر والمتماسكة، والوحدات القابلة للتوصيل المخصصة للتطبيقات، وغيرها من معدات الحوسبة البصرية المتقدمة.

أحدث أخبار سهم JNPR (JNPR) وسعره وأداؤه

العدسات الفوقية للأقمار الصناعية والطائرات المسيّرة | الخلاصة

تفتح العدسات الفوقية الباب أمام مستوى جديد من القدرات البصرية. وهذه الأجهزة مهمة بالفعل للعمليات اليومية ويتزايد الطلب عليها، لذلك يمكن توقع وجودها في معظم الأجهزة البصرية المحمولة والمصغرة خلال السنوات المقبلة. ويستحق المهندسون التقدير على جهودهم التي قد تُحدث أثراً واسعاً في القطاع مستقبلاً.

تعرّف إلى تطورات أخرى مثيرة في علوم المواد هنا

المراجع

^{1. Joshua Jordaan, Alexander E. Minovich, Dragomir Neshev, and Isabelle Staude, “Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses,” Opt. Express 33, 33643-33654 (2025) https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-33-16-33643&id=575152}