कैसे मेटालेंस उपग्रहों और ड्रोन को बदलेंगे

Optical technology ने पिछले कुछ दशकों में महत्वपूर्ण सुधार देखे हैं। आज, माइक्रोलेंस जैसी तकनीकें आपके स्मार्टफ़ोन जैसे दैनिक उपयोग की वस्तुओं का एक महत्वपूर्ण घटक बन गई हैं। इसलिए, इनके बिना जीवन की कल्पना करना कठिन होगा। आपके फ़ोन के फ़ेशियल रिकग्निशन कैमरे से लेकर उन्नत चिकित्सा इमेजिंग सॉफ़्टवेयर तक, विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए मेटालेंस विभिन्न क्षेत्रों में नवाचार को आगे बढ़ाते रहते हैं।

मेटालेंस क्या हैं? उत्पत्ति और विकास

Metasurface-आधारित ऑप्टिक्स की जड़ें 1940 के दशक तक पहुँचती हैं, जब W.E. Koch ने माइक्रोवेव डिफ्रैक्टिव लेंस विकसित किए थे। जबकि ये आज के “मेटालेंस” नहीं थे, इन शुरुआती प्रयोगों ने फ्लैट-लेंस प्रौद्योगिकी की नींव रखी, जो दशकों बाद नैनोस्केल मेटालेंस में विकसित हुई। माइक्रोवेव डिफ्रैक्टिव लेंस को इस तकनीक के पहले प्रभावी उपयोग के रूप में माना जाता है।

Fast forward 50 years to the 1990s, and the technology underwent significant improvements. This decade saw innovations such as graded subwavelength gratings, which allowed engineers to accurately document the phase of light. These developments also led scientists to create lenses specifically designed to work with shorter wavelengths, resulting in the emergence of infrared light-based systems.

प्रौद्योगिकी का विस्तार

2016 में, हार्वर्ड के ऑप्टिकल इंजीनियरों ने टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोपिलर्स का उपयोग करके दृश्यमान तरंगदैर्ध्य पर एक मेटालेंस प्रदर्शित किया। इस नवाचार ने मेटालेंस विकास में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर स्थापित किया, जिससे उच्च प्रदर्शन संभव हुआ।

Notably, metalenses are a crucial component of the tech industry, and modern metalenses have been shrunken down to the nanoscale, meaning they are thinner than a strand of your hair. To accomplish this task, engineers employ the use of meta-atoms.

मेटा-एटम्स

ये कस्टम-डिज़ाइन किए गए सबवेवलेंथ आकार के स्कैटरर फ्लैट डिज़ाइनों में व्यवस्थित होते हैं, जिससे वे श्रेष्ठ सबवेवलेंथ नियंत्रण प्रदान करते हैं। आज के उपकरण ध्रुवीकरण, आयाम, चरण, और प्रकाश तरंगों की आवृत्ति को सूक्ष्म रूप से समायोजित करने में सक्षम हैं।

वे इंजीनियरों को अल्ट्रा-शॉर्ट फोकल लंबाई वाले उपकरण डिज़ाइन करने की अनुमति देते हैं, जिससे इन्हें मिनिएचर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किया जा सकता है। इस प्रकार, आप शायद नहीं जानते कि आप रोज़ाना मेटालेंस से घिरे हैं, क्योंकि वे संचार, यात्रा और चिकित्सा उपचार में मदद करते हैं।

आज के मेटालेंस की समस्याएँ

स्पष्ट है, इंजीनियरों को मेटालेंस को वास्तविकता बनाने के लिए कई तकनीकी बाधाओं को पार करना पड़ा। पिछले कुछ वर्षों में उनके विकास के बावजूद, इन उपकरणों में अभी भी कुछ प्रतिबंध हैं जिन्होंने उनकी पूरी क्षमता को सीमित किया है।

पहले, इन्हें स्केल अप करना बहुत कठिन साबित हुआ है। अब तक, निर्माताओं को सेंटीमीटर आकार के एपर्चर वाले विश्वसनीय मेटालेंस बनाना मुश्किल रहा है। ऐसे उपकरण ब्रॉडबैंड या मल्टीवेवलेंथ संचालन को सक्षम करेंगे।

दुर्भाग्यवश, आवश्यक समूह विलंब (GD) प्राप्त करने जैसे सीमित कारक प्रगति को रोकते रहते हैं। विशेष रूप से, GD, जिसे अधिकतम आवश्यक रैखिक चरण-प्रसरण भी कहा जाता है, को लेंस व्यास के अनुपात में आकार देना आवश्यक है। यदि नहीं, तो एक्रोमैटिक फोकसिंग लगभग असंभव है।

परतों का विस्तार

अब तक, इंजीनियर केवल मौजूदा डाइइलेक्ट्रिक के साथ सिंगल-लेयर नैनोस्ट्रक्चर मेटालेंस का उपयोग कर पाए हैं। यह प्रतिबंध लेंस व्यास और डिज़ाइन विकल्पों को सीमित करता है। एक तरीका जिससे इंजीनियरों ने इन प्रतिबंधों को पार करने की कोशिश की, वह जियोमेट्रिक फेज़ का उपयोग करके सतह पर चरण और GD को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करना था, लेकिन इस दृष्टिकोण ने लेंस को ध्रुवीकरण-संवेदनशील बना दिया।

हाल ही तक, यह असंभव था कि मेटालेंस को इतना बड़ा बनाया जाए कि वह सबसे लंबी तरंगदैर्ध्य पर प्रतिध्वनि करे, बिना छोटी तरंगदैर्ध्य से अत्यधिक हस्तक्षेप के। हालांकि, नवाचारी इंजीनियरों की एक टीम ने इन समस्याओं का समाधान खोज लिया हो सकता है।

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उपग्रहों और ड्रोन के लिए नया मेटालेंस अध्ययन

पेपर Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses¹ जो Optics Express में प्रकाशित हुआ, मेटालेंस के लिए एक नई निर्माण विधि और दृष्टिकोण को उजागर करता है। इस अध्ययन ने एक ध्रुवीकरण-रहित मल्टीवेवलेंथ मेटालेंस डिज़ाइन प्रदर्शित किया, जो निकट-इन्फ्रारेड (NIR) स्पेक्ट्रम का उपयोग करके प्रदर्शन और क्षमताओं को सुधारता है।

मॉडेल्स

इंजीनियरों ने उन्नत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके लाखों metasurface आकारों और उनके प्रकाश पर प्रभावों का शोध और परीक्षण किया। रोचक बात यह है कि गणनाओं ने अनोखे डिज़ाइन दिखाए, जिन्हें इंजीनियरों ने एक लाइब्रेरी में रखा। आकारों में गोलाकार वर्ग, चार-पत्ती क्लोवर, प्रोपेलर और अन्य अप्रत्याशित विविधताएँ शामिल थीं। प्रभावशाली रूप से, सॉफ़्टवेयर ने इलेक्ट्रिक और मैग्नेटिक डिपोल दोनों में सिंगल-वेवलेंथ प्रतिध्वनियों की सटीक भविष्यवाणी की। इन तरंगदैर्ध्य को Huygens प्रतिध्वनियां कहा जाता है।

Source – Australian National University

मेटालेंस

एक बार जब इंजीनियरों ने लेंस पर नैनोस्ट्रक्चर की सतह का सटीक आकार निर्धारित कर लिया, तो उन्होंने लेंस की सतह विकसित करना शुरू किया। इंजीनियरों ने एक मल्टीज़ोन डिस्पर्शन-इंजीनियर्ड मेटालेंस बनाने के लिए इनवर्स आकार-ऑप्टिमाइज़ेशन विधि का उपयोग करके मेटा-एटम्स डिज़ाइन किए।

Huygens’ Metasurface Layers

इस रणनीति में, मेटालेंस उन मेटा-एटम्स को व्यवस्थित करते हैं जो स्पेक्ट्रली ओवरलैपिंग इलेक्ट्रिक (ED) और मैग्नेटिक (MD) डिपोलर प्रतिध्वनियों का समर्थन करते हैं। इस रणनीति में, GD कई ज़ोन में कोट किया जाता है। यह दृष्टिकोण सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक ज़ोन मेटा-एटम्स के अधिकतम प्राप्त मान से सीमित हो।

शुरुआत में, टीम ने एकल परत के साथ कई तरंगदैर्ध्य को फोकस करने की कोशिश की। हालांकि, उन्होंने जल्दी ही समझा कि उन्हें मल्टीवेवलेंथ रणनीति की ओर मुड़ना होगा। उन्होंने निर्धारित किया कि कई Huygens’ metasurface परतों का उपयोग विशिष्ट तरंगदैर्ध्य को अलग करने और मॉड्यूलेट करने का आदर्श तरीका होगा।

मल्टी-वेवलेंथ रणनीति

प्रत्येक Huygens metasurface को विशिष्ट तरंगदैर्ध्य को मॉड्यूलेट करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जबकि उच्च ट्रांसमिशन बनाए रखा गया। यह रणनीति अन्य तरंगदैर्ध्य पर चरण व्यवधान को भी कम करती है, जिससे यह इंजीनियरों द्वारा चाही गई मल्टीलेयर दृष्टिकोण के लिए आदर्श बनती है।

इस कार्य को पूरा करने के लिए, मेटामटेरियल की परतें मिलकर एक अनपोलराइज़्ड स्रोत से बड़े व्यास पर विभिन्न तरंगदैर्ध्य को फोकस करती हैं। यह रणनीति एकल-लेयर metasurface में प्राप्त अधिकतम समूह विलंब को पार करने का विश्वसनीय तरीका प्रदान करती है। विशेष रूप से, यह स्पैशियल इंटरलीविंग डिज़ाइनों के विरल चरण सैंपलिंग को समाप्त करती है।

परिणामस्वरूप, यह इंजीनियरों को संख्यात्मक एपर्चर, भौतिक व्यास, और ऑपरेटिंग बैंडविड्थ जैसे महत्वपूर्ण घटकों को समायोजित करने में सक्षम बनाता है। इंजीनियरों ने नोट किया कि उनका निर्माण अधिकतम पाँच विभिन्न तरंगदैर्ध्य के साथ ध्रुवीकरण-रहित संचालन प्रदान कर सकता है।

मेटालेंस परीक्षण के माध्यम से उपग्रहों और ड्रोन कैमरों का अपग्रेड

अपने उपकरण का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक उन्नत मेटालेंस बनाने की दिशा में काम किया। पहला कदम के रूप में, टीम ने 2000 और 2340 nm पर 0.11 संख्यात्मक एपर्चर (NA) के साथ काम करने वाला मेटालेंस डिज़ाइन और निर्मित किया। यह उपकरण केवल 300 nm ऊँचा और 1000 nm चौड़ा था, जिससे यह आँख से अदृश्य था।

विशेष रूप से, टीम ने कई तरंगदैर्ध्य पर उपकरण का परीक्षण किया। उन्होंने शून्य से दो पाई तक के पूर्ण चरण शिफ्ट रेंज और अन्य महत्वपूर्ण चरणों को सिमुलेशन के माध्यम से परीक्षण किया। उल्लेखनीय रूप से, लेंस बड़े उपकरणों के समान प्रदर्शन करते थे, लेकिन कम स्थान और ऊर्जा की आवश्यकता होती थी।

मेटालेंस परीक्षण परिणाम

परीक्षण ने इंजीनियरों के सिमुलेशन की पुष्टि की। मेटालेंस डिज़ाइन ने सभी क्षेत्रों में अपने पूर्ववर्तियों से बेहतर प्रदर्शन किया। इसने एक सामान्यीकृत मॉड्यूलेशन ट्रांसफर फ़ंक्शन (MTF) सफलतापूर्वक प्राप्त किया। विशेष रूप से, टीम ने निरपेक्ष फोकसिंग दक्षता 65% और 56% दर्ज की। ये परिणाम पूर्ण नहीं हैं, लेकिन यह एक बड़ा सुधार है और इस आकार के लेंस से इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त करने की दिशा में बहुत आगे ले जाता है।

एयरोस्पेस और उससे आगे के लिए मेटालेंस के लाभ

इस तकनीक के कई लाभ हैं। पहला, ये छोटे लेंस अधिक उपकरणों में स्थापित किए जा सकते हैं, जिससे अधिक कॉम्पैक्ट डिज़ाइन संभव होते हैं। इन माइक्रोस्कोपिक लेंसों की अतिरिक्त क्षमताएँ उपभोक्ता अनुभव को सुधारेंगी और एयरोस्पेस, चिकित्सा और अन्य क्षेत्रों में नवाचार को आगे बढ़ाएंगी।

परत मिसअलाइनमेंट के प्रति उच्च सहनशीलता

यह डिज़ाइन लेटरल मिसअलाइनमेंट के प्रति उच्च सहनशीलता प्रदान करता है। याद रखें, इस उपकरण में प्रत्येक परत के बीच केवल बहुत छोटी दूरी होती है। यह विभाजन फेयर फील्ड में होता है, जो स्वचालित रूप से मिसअलाइनमेंट को कम करने में मदद करता है।

आसान निर्माण

इस अध्ययन का एक और बड़ा लाभ यह है कि यह एक नई निर्माण विधि को प्रदर्शित करता है। यह दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को प्रत्येक परत को अलग-अलग बनाने की अनुमति देता है, फिर उन्हें एक साथ जोड़कर पूर्ण मेटालेंस बनाते हैं। यह रणनीति प्रत्येक उपकरण को एक ही प्रक्रिया में पूरी तरह से बनाने की तुलना में बहुत सस्ती है।

स्केलेबल

यह निर्माण प्रक्रिया उद्योग की जरूरतों को पूरा करने के लिए स्केल अप की जा सकती है। अतिरिक्त रूप से, उत्पाद स्वयं अधिक अनुप्रयोगों को पूरा करने के लिए स्केल अप किया जा सकता है। ये स्केलिंग ऑपरेशन्स उन्नत थ्रू-सिलिकॉन नैनोफैब्रिकेशन रणनीतियों के उपयोग के कारण संभव हैं।

मेटालेंस के माध्यम से उपग्रहों और ड्रोन कैमरों का अपग्रेड: वास्तविक-विश्व अनुप्रयोग एवं टाइमलाइन:

बाजार में मेटालेंस के कई अनुप्रयोग हैं। पहला, यह अध्ययन नवाचार को आगे बढ़ाने में मदद करेगा। यह पोर्टेबल उपकरणों और पहनने योग्य डिवाइसों में उपयोग किए जा सकने वाले माइक्रोस्कोपिक, किफायती और शक्तिशाली ऑप्टिक्स की नई पीढ़ी को जन्म देगा।

चिकित्सा क्षेत्र

यह प्रौद्योगिकी चिकित्सा क्षेत्र में सकारात्मक प्रभाव डालेगी, जहाँ इसे उन्नत इमेजिंग सिस्टम से लेकर उपचार-आधारित पहनने योग्य डिवाइस तक सब कुछ में उपयोग किया जा सकता है। ये लेंस स्वास्थ्य पेशेवरों को अधिक प्रभावी और स्थायी उपकरण बनाने का तरीका प्रदान करेंगे, जो तकनीक का उपयोग करके पुनर्प्राप्ति को ट्रैक करेंगे।

सुरक्षा प्रणाली

इस प्रौद्योगिकी का एक और अनुप्रयोग सुरक्षा निगरानी क्षेत्र में है। उच्च-शक्तिशाली इमेजिंग डिवाइस संचालन के महत्वपूर्ण घटकों की कार्यक्षमता और स्थिति सुनिश्चित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। भविष्य में, छोटे सेंसर संभावित जोखिमों, जैसे सूक्ष्म दरारें, खतरनाक रसायन, या अन्य सुरक्षा खतरों, के बारे में कर्मचारियों को चेतावनी दे सकते हैं।

एयरोस्पेस

एयरोस्पेस उद्योग इस प्रौद्योगिकी को परिपक्व होते ही तुरंत एकीकृत करेगा। मेटालेंस भविष्य के ड्रोन, उपग्रह और अन्य एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाएंगे। उनका हल्का और कॉम्पैक्ट डिज़ाइन उन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है जहाँ ये कारक सफलता के लिए महत्वपूर्ण हैं। इस प्रकार, ड्रोन और पृथ्वी-निरीक्षण उपग्रह संभवतः पहले मल्टी-लेयर मेटालेंस को एकीकृत करने वाले होंगे।

इलेक्ट्रिक वाहन (EVs)

इलेक्ट्रिक वाहन इस प्रौद्योगिकी का उपयोग करके अपने स्मार्ट ड्राइविंग सिस्टम का वजन कम करेंगे। जैसे-जैसे अधिक EV AI-आधारित ड्राइविंग और स्वचालित टक्कर-से-बचाव की ओर बढ़ते हैं, ऑटो निर्माताओं को सबसे प्रभावी और हल्के ऑप्टिकल सिस्टम की तलाश रहती है। यह नवीनतम विकास उन्हें भविष्य के वाहनों में बैटरी जीवन को और बढ़ाने के साथ-साथ ऑप्टिकल क्षमताओं को सुधारने में सक्षम करेगा।

मेटालेंस के माध्यम से उपग्रहों और ड्रोन कैमरों का अपग्रेड टाइमलाइन

इस प्रौद्योगिकी को बाजार में आने में 3-7 वर्ष लग सकते हैं। उपभोक्ताओं के लिए, यह तकनीक अगले दशक में उनके स्मार्ट डिवाइस में एकीकृत हो सकती है। सैन्य अनुप्रयोगों के लिए, टाइमलाइन कम होगी क्योंकि निगरानी उपग्रह और ड्रोन इन संगठनों की शीर्ष प्राथमिकता हैं।

मेटालेंस के माध्यम से उपग्रहों और ड्रोन कैमरों का अपग्रेड करने वाले शोधकर्ता

मेटालेंस अध्ययन का शोध ऑस्ट्रेलियन नेशनल यूनिवर्सिटी के रिसर्च स्कूल ऑफ़ फिज़िक्स और ARC सेंटर ऑफ़ एक्सलेंस फॉर ट्रांसफ़ॉर्मेटिव मेटा-ऑप्टिकल सिस्टम्स (TMOS) द्वारा नेतृत्व किया गया। अतिरिक्त रूप से, जर्मनी के फ़्रिडरिच शिलर यूनिवर्सिटी जेना के इंजीनियर, अंतर्राष्ट्रीय रिसर्च ट्रेनिंग ग्रुप Meta-ACTIVE के हिस्से के रूप में, इस कार्य में भाग लिया। पेपर विशेष रूप से जोशुआ जॉर्डान, एलेक्ज़ेंडर ई. मिनोविच, ड्रैगोमिर नेशेव, और इज़ाबेल स्टाउडे को मुख्य लेखकों के रूप में सूचीबद्ध करता है।

मेटालेंस के माध्यम से उपग्रहों और ड्रोन कैमरों का भविष्य

मेटालेंस का भविष्य उज्ज्वल है। ये अल्ट्रा-कॉम्पैक्ट उपकरण एयरोस्पेस संचालन में महत्वपूर्ण होंगे। अब, इंजीनियर अपनी शोध को मनमाने मल्टीवेवलेंथ फेज़ प्रोफ़ाइल पर केंद्रित करेंगे। उनका लक्ष्य पिछले साधारण लेंसिंग को पार करना और AI जैसी अन्य प्रौद्योगिकियों को मिलाकर भविष्य के डिज़ाइनों को अनुकूलित करना है।

ऑप्टिक्स सेक्टर में नवाचारी कंपनी

ऑप्टिक्स सेक्टर में कई कंपनियां प्रमुख हैं। ये फर्में हर साल मिलियन डॉलर R&D में निवेश करती हैं, अधिक प्रभावी लेंस विकल्प बनाने की आशा में। यहाँ एक कंपनी है जिसने ऑप्टिकल कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकी की सीमाओं को आगे बढ़ाया है और उच्च-स्तरीय साझेदारियों को सुरक्षित रखता है, जिसका लक्ष्य नवाचार को आगे बढ़ाना है।

Juniper Networks, Inc.

Juniper Networks Inc. ने 1996 में कंप्यूटर राउटर निर्माता के रूप में बाजार में प्रवेश किया। कंपनी कैलिफ़ोर्निया के माउंटेन व्यू में स्थित है। इसके संस्थापकों में प्रदीप सिंधु, डेनिस बशनेल और ब्योर्न लियेंक्रेस शामिल हैं। उन्होंने एक ऐसी फर्म की कल्पना की जो वैश्विक स्तर पर आज की कंप्यूटिंग जरूरतों के लिए अनुकूलित उच्च-प्रदर्शन राउटर प्रदान करे।

दो साल बाद, Juniper ने M40 राउटर पेश किया। यह उत्पाद सफल रहा, जिसने कंपनी को अन्य क्षेत्रों में विस्तार करने में मदद की। आज, फर्म मानकों के अनुरूप ऑप्टिक्स का पूर्ण पोर्टफ़ोलियो प्रदान करती है। इन उत्पादों में डायरेक्ट-डिटेक्ट और कोहेरेंट ऑप्टिकल ट्रांससीवर, एप्लिकेशन-विशिष्ट प्लगेबल्स, और अन्य उन्नत ऑप्टिकल कंप्यूटर हार्डवेयर शामिल हैं।

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मेटालेंस के माध्यम से उपग्रहों और ड्रोन कैमरों का अपग्रेड | निष्कर्ष

मेटालेंस नई ऑप्टिकल क्षमताओं के लिए द्वार खोलते हैं। ये उपकरण पहले से ही दैनिक संचालन में महत्वपूर्ण हैं, और उनकी सेवाओं की मांग बढ़ रही है। परिणामस्वरूप, आप आने वाले वर्षों में लगभग हर मिनिएचर पोर्टेबल ऑप्टिकल डिवाइस में मेटालेंस देख सकते हैं। इस प्रकार, इन इंजीनियरों को उनके प्रयासों के लिए एक खड़े‑खड़े तालियों की पात्रता है, जो उद्योग पर आगे बढ़ते हुए गहरा प्रभाव डाल सकते हैं।

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संदर्भ

^{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}