Sådan vil metalinser forandre satellitter og droner

Optisk teknologi har udviklet sig markant gennem de seneste årtier. I dag er teknologier som mikrolinser afgørende komponenter i almindelige produkter som smartphones. Fra telefonens ansigtsgenkendelse til avanceret medicinsk billeddannelse driver specialdesignede metalinser innovation på tværs af mange sektorer.

Hvad er metalinser? Oprindelse og udvikling

Rødderne til metasurface-baseret optik går tilbage til 1940’erne, da W.E. Koch udviklede diffraktive mikrobølgelinser. Selv om de ikke var egentlige metalinser i moderne forstand, lagde forsøgene grundlaget for flade linser, som årtier senere blev til nutidens metalinser i nanoskala.

I 1990’erne blev teknologien væsentligt forbedret. Blandt nyhederne var graduerede gitre med strukturer mindre end bølgelængden, som gjorde det muligt at styre lysets fase præcist. Udviklingen førte også til linser til kortere bølgelængder og dermed infrarøde systemer.

Teknologiens udvikling

I 2016 tog teknologien endnu et spring, da optikingeniører fra Harvard demonstrerede en metalinse til synligt lys baseret på nanopiller af titandioxid. Det var en milepæl, som gav metalinser højere ydeevne.

Metalinser er nu vigtige for teknologibranchen og kan fremstilles i nanoskala, så de er tyndere end et hårstrå. Det opnås ved hjælp af meta-atomer.

Meta-atomer

Disse specialdesignede spredere, som er mindre end lysets bølgelængde, placeres i flade mønstre og giver meget præcis kontrol. De kan finjustere polarisation, amplitude, fase og frekvens.

Dermed kan ingeniører bygge enheder med ultrakorte brændvidder til miniatureelektronik. Metalinser findes derfor allerede omkring os i alt fra kommunikation og transport til medicinsk behandling.

Udfordringer ved nutidens metalinser

Ingeniørerne måtte overvinde mange tekniske barrierer for at gøre metalinser praktiske. Trods fremskridtene har de stadig begrænsninger, som forhindrer dem i at nå deres fulde potentiale.

En væsentlig udfordring er skalering. Producenter har hidtil haft svært ved at fremstille pålidelige metalinser med åbninger i centimeterstørrelse, selv om sådanne enheder er nødvendige til bredbånds- og flerbølgelængdedrift.

Begrænsninger i den nødvendige gruppeforsinkelse (GD) bremser fortsat udviklingen. Den maksimalt krævede lineære fasespredning skal passe til linsens diameter; ellers er akromatisk fokusering næsten umulig.

Flere lag

Hidtil har ingeniører kun kunnet bruge enkeltlags nanostrukturerede metalinser med eksisterende dielektriske materialer. Det begrænser både diameter og design. Geometrisk fase kan styre fase og gruppeforsinkelse uafhængigt over overfladen, men gør samtidig linserne følsomme over for polarisation.

Indtil for nylig var det umuligt at fremstille metalinser, som var store nok til resonans ved den længste bølgelængde uden kraftig interferens fra kortere bølgelængder. Et hold innovative ingeniører ser nu ud til at have fundet en løsning.

Stryg for at rulle →

Nyt studie af metalinser til satellitter og droner

Artiklen Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses¹ i Optics Express beskriver en ny fremstillingsmetode til metalinser. Studiet demonstrerer et polarisationsuafhængigt design til flere bølgelængder, som udnytter det nærinfrarøde spektrum til at forbedre ydeevnen og funktionerne.

Modellering

Ingeniørerne begyndte med avancerede computermodeller, som afprøvede millioner af metasurface-former og deres virkning på lys. Beregningerne frembragte blandt andet afrundede firkanter, firkløvere, propeller og andre usædvanlige former, som blev samlet i et bibliotek. Softwaren kunne præcist forudsige enkeltbølgelængderesonanser i både elektriske og magnetiske dipoler, kendt som Huygens-resonanser.

Kilde – Australian National University

Metalinser

Efter at have bestemt nanostrukturernes nøjagtige overfladeform udviklede ingeniørerne selve linseoverfladen. De designede meta-atomer med invers formoptimering og skabte en metalinse med flere zoner og kontrolleret dispersion.

Huygens-metasurface-lag

I dette design er meta-atomerne placeret, så elektriske (ED) og magnetiske (MD) dipolresonanser overlapper spektralt. Gruppeforsinkelsen fordeles over flere zoner, og hver zone holdes inden for meta-atomernes opnåelige maksimum.

Holdet forsøgte først at fokusere flere bølgelængder med ét lag, men måtte skifte til en flerbølgelængdestrategi. Flere Huygens-metasurface-lag viste sig at kunne adskille og modulere bestemte bølgelængder.

Flerbølgelængdestrategi

Hver Huygens-metasurface blev designet til at modulere én bestemt bølgelængde og samtidig bevare høj transmission. Strategien reducerer også faseforstyrrelser ved andre bølgelængder og passer derfor godt til flerlagstilgangen.

Lag af metamaterialer arbejder sammen om at fokusere en række bølgelængder fra en upolariseret kilde over en stor diameter. Metoden kan overskride den maksimale gruppeforsinkelse i en enkeltlags-metasurface og fjerner den sparsomme fasesampling, som kendes fra rumligt sammenflettede design.

Det gør det muligt at justere den numeriske apertur, den fysiske diameter og driftsbåndbredden. Ifølge ingeniørerne kan konstruktionen håndtere op til fem forskellige bølgelængder uden at være følsom over for polarisation.

Test af metalinser til satellit- og dronekameraer

For at afprøve enheden fremstillede forskerne en forbedret metalinse, som fungerede ved 2.000 og 2.340 nm med en numerisk apertur på 0,11. Den var blot 300 nm høj og 1.000 nm bred og dermed usynlig for øjet.

Holdet testede flere bølgelængder og hele området af faseforskydninger fra nul til to pi i simuleringer. Linserne præsterede som langt større enheder, men krævede meget mindre plads og energi.

Resultater fra metalinsetesten

Forsøget bekræftede simuleringerne. Metalinsen overgik tidligere design og opnåede en normaliseret modulationsoverførselsfunktion (MTF). Holdet målte absolutte fokuseringseffektiviteter på 65% og 56%. Resultaterne er ikke perfekte, men udgør et stort fremskridt for en linse i denne størrelse.

Fordele ved metalinser i luft- og rumfart og andre områder

Teknologien giver mange fordele. De bittesmå linser kan indbygges i flere produkter og muliggøre mere kompakte konstruktioner. Deres ekstra funktioner kan forbedre brugeroplevelser og fremme innovation inden for rumfart, medicin og andre områder.

Høj tolerance over for forskydning mellem lag

Designet tåler betydelig sideværts forskydning mellem lagene. Hvert lag ligger kun ganske lidt fra det næste, og adskillelsen sker i fjernfeltet, hvilket automatisk mindsker virkningen af fejljustering.

Nemmere Fremstilling

En anden vigtig fordel er den nye fremstillingsmetode. Hvert lag kan fremstilles separat og derefter samles til den færdige metalinse. Det er langt billigere end at forsøge at fremstille hele enheden i én proces.

Skalerbar

Fremstillingen kan opskaleres til industriens behov, og selve produktet kan skaleres til flere anvendelser. Det er muligt takket være avancerede strategier til nanofabrikation gennem silicium.

Metalinser til satellit- og dronekameraer: anvendelser og tidslinje

Metalinser har mange mulige anvendelser. Studiet kan fremme innovation og føre til en ny generation af mikroskopisk, prisbillig og kraftfuld optik til bærbare enheder og wearables.

Medicinske anvendelser

Teknologien kan gavne medicin i alt fra avancerede billedsystemer til behandlingsorienterede wearables. Linserne kan hjælpe sundhedspersonale med at udvikle mere effektive og bæredygtige værktøjer, som følger patienters heling.

Sikkerhedssystemer

Teknologien kan også bruges til sikkerhedsovervågning. Kraftige billedsystemer er vigtige for at kontrollere, at kritiske komponenter fungerer og er i god stand. Fremtidige minisensorer kan advare om hårfine revner, farlige kemikalier og andre risici.

Luft- og rumfart

Luft- og rumfartssektoren vil sandsynligvis tage teknologien i brug tidligt. Metalinser kan anvendes i fremtidige droner, satellitter og andre rumfartssystemer. Den lave vægt og kompakte form gør dem ideelle, og droner samt jordobservationssatellitter bliver formentlig blandt de første med flerlagsmetalinser.

Elbiler

Elbiler kan bruge teknologien til at reducere vægten af intelligente køresystemer. Når flere biler anvender AI til kørsel og automatisk undvigelse, søger producenterne effektive og lette optiske systemer. Udviklingen kan forbedre optikken og samtidig forlænge batteriets rækkevidde.

Tidslinje for metalinser til satellit- og dronekameraer

Der kan gå tre til syv år, før teknologien når markedet. Forbrugere kan få den indbygget i smarte enheder inden for det næste årti. Militære anvendelser kommer sandsynligvis tidligere, fordi overvågningssatellitter og droner har høj prioritet.

Forskerne bag metalinsestudiet

Studiet blev ledet af Research School of Physics ved Australian National University og ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS). Ingeniører fra Friedrich Schiller University Jena deltog gennem International Research Training Group Meta-ACTIVE. Artiklen angiver Joshua Jordaan, Alexander E. Minovich, Dragomir Neshev og Isabelle Staude som hovedforfattere.

Metalinsernes fremtid

Metalinser går en lovende fremtid i møde og bliver vigtige for operationer i luft- og rumfart. Forskerne vil nu arbejde med vilkårlige faseprofiler til flere bølgelængder. Målet er at gå videre end enkel fokusering og kombinere teknologien med blandt andet AI for at optimere fremtidige design.

Innovativ virksomhed i optiksektoren

Flere virksomheder dominerer optiksektoren og bruger hvert år millioner på forskning og udvikling for at skabe bedre linser. Den følgende virksomhed har rykket grænserne for optisk computerteknologi og fortsætter med at indgå store partnerskaber for at fremme innovation.

Juniper Networks, Inc.

Juniper Networks Inc. blev grundlagt i 1996 som producent af routere og har hovedsæde i Mountain View i Californien. Pradeep Sindhu grundlagde virksomheden sammen med Dennis Bushnell og Bjorn Liencres med visionen om at levere højtydende routere til moderne computerbehov verden over.

To år efter grundlæggelsen lancerede Juniper routeren M40. Succesen hjalp virksomheden med at udvide til andre områder. I dag tilbyder den en komplet portefølje af standardbaseret optik, herunder direkte detekterende og kohærente optiske transceivere, applikationsspecifikke moduler og anden avanceret optisk computerhardware.

Seneste nyt om JNPR-aktiens kurs og udvikling

Metalinser til satellit- og dronekameraer | Konklusion

Metalinser åbner for et nyt niveau af optiske muligheder. Enhederne er allerede vigtige i daglig drift, og efterspørgslen vokser. Derfor vil metalinser sandsynligvis findes i næsten alle miniaturiserede bærbare optiske enheder i de kommende år. Ingeniørernes arbejde fortjener stor anerkendelse og kan få vidtrækkende betydning for branchen.

Lær om andre interessante materialvidenskabelige udviklinger Her

Referencer

^{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}