Bagaimana Metalens Akan Mengubah Satelit dan Drone

Optical technology has seen significant improvements over the last few decades. Today, technologies like microlenses are a critical component of everyday items, such as your smartphone. As such, it would be hard to imagine life without them. From your phone’s facial recognition camera to advanced medical imaging software, specially designed metalenses continue to drive innovation across various sectors.

Apa Itu Metalens? Asal Usul dan Evolusi

Akar optik berbasis metasurface dapat ditelusuri kembali ke tahun 1940-an, ketika W.E. Koch mengembangkan lensa difraktif gelombang mikro. Meskipun bukan “metalens” sejati seperti yang kita kenal saat ini, percobaan awal ini menyiapkan dasar bagi teknologi lensa datar yang beberapa dekade kemudian berkembang menjadi metalens skala nano yang digunakan saat ini. Lensa difraktif gelombang mikro dianggap sebagai pertunjukan pertama teknologi ini yang berhasil digunakan.

Maju cepat 50 tahun ke tahun 1990-an, teknologi mengalami peningkatan signifikan. Dekade ini menyaksikan inovasi seperti kisi subgelombang bertingkat, yang memungkinkan insinyur mencatat fase cahaya secara akurat. Pengembangan ini juga mendorong ilmuwan menciptakan lensa yang dirancang khusus untuk bekerja dengan panjang gelombang yang lebih pendek, menghasilkan munculnya sistem berbasis cahaya inframerah.

Teknologi Berkembang

Pada tahun 2016, teknologi melompat lagi ketika insinyur optik Harvard menunjukkan metalens pada panjang gelombang tampak menggunakan nanopilar titanium dioksida. Inovasi ini menjadi tonggak penting dalam pengembangan metalens, memberikan kinerja yang lebih tinggi.

Secara khusus, metalens merupakan komponen penting dalam industri teknologi, dan metalens modern telah diperkecil hingga skala nano, artinya mereka lebih tipis daripada sehelai rambut Anda. Untuk mencapai hal ini, insinyur menggunakan meta-atom.

Meta-Atom

Penyebar berukuran subgelombang yang dirancang khusus ini disusun dalam desain datar, memungkinkan mereka memberikan kontrol subgelombang yang superior. Perangkat saat ini dapat digunakan untuk menyetel polarisasi, amplitudo, fase, dan frekuensi gelombang cahaya.

Mereka memungkinkan insinyur merancang perangkat yang memanfaatkan panjang fokus ultra-pendek, sehingga dapat digunakan dalam konstruksi perangkat elektronik miniatur. Dengan demikian, Anda mungkin tidak menyadari bahwa Anda dikelilingi oleh metalens setiap hari karena mereka membantu segala hal mulai dari komunikasi hingga perjalanan dan perawatan medis.

Masalah Metalens Saat Ini

Jelas, ada banyak hambatan teknis yang harus diatasi insinyur untuk mewujudkan metalens. Meskipun telah mengalami kemajuan dalam beberapa tahun terakhir, perangkat ini masih memiliki beberapa batasan yang membatasi kemampuan mereka untuk mencapai potensi penuh.

Pertama, mereka terbukti sangat sulit untuk diskalakan. Hingga saat ini, produsen kesulitan menghasilkan metalens yang dapat diandalkan dengan apertur berukuran sentimeter. Perangkat ini penting karena dapat memungkinkan operasi broadband atau multi-panjang gelombang.

Sayangnya, faktor pembatas seperti mencapai penundaan grup (GD) yang diperlukan terus menghambat kemajuan. Secara khusus, GD, yang juga disebut dispersi fase linear maksimum yang diperlukan, harus disesuaikan dengan diameter lensa. Jika tidak, fokus achromatik hampir tidak mungkin.

Lapisan yang Diperluas

Hingga saat ini, insinyur hanya dapat menggunakan metalens nanostruktur lapisan tunggal dengan dielektrik yang ada. Batasan ini membuat mereka terbatas pada diameter lensa dan opsi desain. Salah satu cara yang dicoba insinyur untuk mengatasi batasan ini adalah dengan menggunakan fase geometris untuk mengontrol fase dan GD secara independen di seluruh permukaan, namun pendekatan ini terbukti membuat lensa sensitif terhadap polarisasi.

Sampai baru-baru ini, tidak mungkin membuat metalens yang cukup besar untuk resonansi pada panjang gelombang terpanjang tanpa menerima interferensi berlebihan dari panjang gelombang yang lebih pendek. Namun, tim insinyur inovatif tampaknya telah menemukan solusi untuk masalah ini.

Swipe to scroll →

Studi Metalens Baru untuk Satelit dan Drone

Makalah Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses¹ yang dipublikasikan di Optics Express menjelaskan metode manufaktur baru dan pendekatan terhadap metalens. Studi tersebut menunjukkan desain metalens multi-panjang gelombang yang tidak sensitif terhadap polarisasi dengan memanfaatkan spektrum dekat-inframerah (NIR) untuk meningkatkan kinerja dan kemampuan.

Model

Insinyur memulai dengan menggunakan model komputer canggih untuk meneliti dan menguji jutaan bentuk metasurface serta efeknya pada cahaya. Menariknya, perhitungan tersebut menunjukkan desain unik yang dimasukkan insinyur ke dalam perpustakaan. Bentuk-bentuk tersebut meliputi persegi bulat, semanggi empat daun, baling-baling, dan variasi tak terduga lainnya. Secara mengesankan, perangkat lunak dapat memprediksi resonansi satu panjang gelombang secara akurat pada dipol listrik dan magnetik. Panjang gelombang ini dikenal sebagai resonansi Huygens.

Metalens

Setelah insinyur menentukan bentuk tepat permukaan nanostruktur pada lensa, mereka mulai mengembangkan permukaan lensa. Insinyur merancang meta-atom menggunakan metode optimasi bentuk terbalik untuk menciptakan metalens dengan dispersi multizona.

Lapisan Metasurface Huygens

Dalam strategi ini, metalens menggunakan meta-atom yang disusun untuk mendukung resonansi dipol listrik (ED) dan magnetik (MD) yang tumpang tindih secara spektral. Dalam strategi ini, GD dilapisi menjadi beberapa zona. Pendekatan ini memastikan setiap zona dibatasi oleh nilai maksimum yang dapat dicapai dari meta-atom.

Awalnya, tim mencoba memfokuskan beberapa panjang gelombang dengan satu lapisan. Namun, mereka segera menyadari bahwa mereka perlu beralih ke strategi multi-panjang gelombang. Mereka menentukan bahwa penggunaan beberapa lapisan metasurface Huygens akan menjadi cara yang tepat untuk memisahkan dan memodulasi panjang gelombang tertentu.

Strategi Multi-Panjang Gelombang

Setiap metasurface Huygens dirancang untuk memodulasi panjang gelombang tertentu sambil mempertahankan transmisi tinggi. Strategi ini juga mengurangi gangguan fase pada panjang gelombang lain, menjadikannya ideal untuk pendekatan multilapisan yang diinginkan insinyur.

Untuk menyelesaikan tugas ini, lapisan metamaterial bekerja bersama untuk memfokuskan rentang panjang gelombang dari sumber tidak terpolarisasi pada diameter besar. Strategi ini menyediakan metode andal untuk melampaui penundaan grup maksimum yang dapat dicapai pada metasurface lapisan tunggal. Secara khusus, ini menghilangkan sampling fase yang jarang pada desain interleaving spasial.

Akibatnya, ini memungkinkan insinyur menyesuaikan komponen penting, termasuk apertur numerik, diameter fisik, dan lebar pita operasi. Insinyur mencatat bahwa kreasi mereka dapat beroperasi dengan maksimum lima panjang gelombang yang bervariasi sambil menyediakan operasi yang tidak sensitif terhadap polarisasi.

Pengujian Metalens untuk Meningkatkan Satelit dan Kamera Drone

Untuk menguji perangkat mereka, para ilmuwan memulai pembuatan metalens yang ditingkatkan. Sebagai langkah pertama, tim merancang dan memfabricasi metalens yang dapat beroperasi pada 2000 dan 2340 nm dengan apertur numerik (NA) 0,11. Perangkat tersebut hanya setinggi 300 nm dan lebar 1000 nm, membuatnya tidak terlihat oleh mata.

Secara khusus, tim menguji perangkat pada beberapa panjang gelombang. Mereka memfokuskan pengujian pada rentang penuh pergeseran fase, dari nol hingga dua pi, dan langkah penting lainnya melalui simulasi. Secara khusus, lensa berperforma serupa dengan perangkat yang jauh lebih besar namun membutuhkan jauh lebih sedikit ruang dan energi untuk beroperasi.

Hasil Pengujian Metalens

Pengujian mengonfirmasi simulasi insinyur. Desain metalens melampaui pendahulunya secara keseluruhan. Itu berhasil mencapai fungsi transfer modulasi (MTF) yang dinormalisasi. Secara khusus, tim mencatat efisiensi fokus absolut sebesar 65% dan 56%. Hasil ini tidak sempurna, tetapi merupakan peningkatan besar dan sangat membantu dalam mencapai kinerja optimal dari lensa berukuran ini.

Manfaat Metalens untuk Dirgantara dan Lainnya

Ada banyak manfaat yang dibawa teknologi ini ke pasar. Pertama, lensa kecil ini dapat ditempatkan dalam lebih banyak perangkat, memungkinkan desain yang lebih kompak. Kemampuan tambahan lensa mikroskopis ini akan membantu meningkatkan pengalaman konsumen dan mendorong inovasi di bidang dirgantara, medis, dan bidang lainnya.

Toleransi Tinggi terhadap Ketidaksesuaian Lapisan

Desain ini terbukti memberikan toleransi tinggi terhadap ketidaksesuaian lateral. Ingat, dalam perangkat ini, setiap lapisan hanya memiliki ruang sekecil apapun antara lapisan berikutnya. Pemisahan ini terjadi di bidang jauh, yang secara otomatis membantu mengurangi ketidaksesuaian.

Fabrikasi Lebih Mudah

Manfaat utama lain dari studi ini adalah menunjukkan metode manufaktur baru. Pendekatan ini memungkinkan ilmuwan membuat setiap lapisan secara terpisah sebelum menyatukan unit untuk menciptakan metalens lengkap. Strategi ini jauh lebih murah dibandingkan mencoba membuat setiap perangkat sepenuhnya dalam satu proses.

Dapat Diskalakan

Proses manufaktur ini dapat diskalakan untuk memenuhi kebutuhan industri. Selain itu, produk itu sendiri dapat diskalakan untuk lebih banyak aplikasi. Operasi skala ini dimungkinkan berkat penggunaan strategi nanofabrikasi melalui silikon yang canggih.

Meningkatkan Satelit dan Kamera Drone dengan Metalens: Aplikasi Dunia Nyata & Garis Waktu

Ada banyak aplikasi metalens di seluruh pasar. Pertama, studi ini akan membantu mendorong inovasi. Ini akan menghasilkan generasi baru optik mikroskopis, terjangkau, dan kuat yang dapat digunakan dalam perangkat portabel dan perangkat yang dapat dipakai.

Bidang Medis

Teknologi ini akan memberikan dampak positif pada bidang medis, di mana dapat digunakan dalam segala hal mulai dari sistem pencitraan canggih hingga perangkat yang dapat dipakai berbasis perawatan. Lensa ini akan memberi profesional kesehatan cara untuk menciptakan alat yang lebih efektif dan berkelanjutan yang memanfaatkan teknologi untuk melacak pemulihan.

Sistem Keamanan

Aplikasi lain untuk teknologi ini berada di sektor pemantauan keamanan. Perangkat pencitraan berdaya tinggi memainkan peran penting dalam memastikan komponen penting dalam operasi berfungsi dan dalam kondisi baik. Di masa depan, sensor miniatur dapat memberi peringatan kepada pekerja tentang potensi risiko, seperti retakan tipis, bahan kimia berbahaya, atau bahaya keamanan lainnya.

Dirgantara

Industri dirgantara akan melihat integrasi teknologi ini secara langsung seiring kematangannya. Metalens akan digunakan dalam drone, satelit, dan aplikasi dirgantara lainnya di masa depan. Desainnya yang ringan dan kompak menjadikannya ideal untuk aplikasi di mana faktor-faktor ini penting untuk keberhasilan. Oleh karena itu, drone dan satelit pengamatan bumi kemungkinan akan menjadi yang pertama mengintegrasikan metalens berlapis multi.

Kendaraan Listrik

Kendaraan listrik akan memanfaatkan teknologi ini untuk mengurangi berat sistem mengemudi pintar mereka. Seiring semakin banyak EV beralih ke AI untuk mengemudi dan penghindaran otomatis, produsen mobil terus mencari sistem optik yang paling efektif dan ringan. Pengembangan terbaru ini akan memungkinkan mereka mendapatkan daya tahan baterai yang lebih lama pada kendaraan masa depan sekaligus meningkatkan kemampuan optik.

Garis Waktu Meningkatkan Satelit dan Kamera Drone dengan Metalens

Mungkin diperlukan antara 3-7 tahun sebelum teknologi ini masuk ke pasar. Bagi konsumen, teknologi ini dapat terintegrasi ke dalam perangkat pintar mereka dalam dekade berikutnya. Untuk aplikasi militer, garis waktunya akan lebih singkat karena satelit pengintai dan drone menjadi prioritas utama bagi organisasi tersebut.

Peneliti Meningkatkan Satelit dan Kamera Drone dengan Metalens

Penelitian untuk studi Meningkatkan Satelit dan Kamera Drone dengan Metalens dipimpin oleh Research School of Physics di Australian National University dan ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS). Selain itu, insinyur dari Friedrich Schiller University Jena di Jerman, sebagai bagian dari International Research Training Group Meta-ACTIVE, berpartisipasi dalam pekerjaan tersebut. Makalah tersebut secara khusus mencantumkan Joshua Jordaan, Alexander E. Minovich, Dragomir Neshev, dan Isabelle Staude sebagai penulis utama.

Masa Depan Meningkatkan Satelit dan Kamera Drone dengan Metalens

Masa depan metalens sangat cerah. Perangkat ultra-kompak ini akan menjadi krusial bagi operasi dirgantara. Sekarang, insinyur akan memfokuskan penelitian mereka pada profil fase multi-panjang gelombang arbitrer. Tujuan mereka adalah melampaui lensa sederhana sebelumnya dan menggabungkan teknologi lain seperti AI untuk mengoptimalkan desain masa depan.

Perusahaan Inovatif di Sektor Optik

Ada beberapa perusahaan yang mendominasi sektor optik. Perusahaan-perusahaan ini menghabiskan jutaan dolar untuk R&D setiap tahun dengan harapan menciptakan opsi lensa yang lebih efektif. Berikut satu perusahaan yang telah mendorong batas teknologi komputasi optik dan terus menjalin kemitraan tingkat tinggi dengan tujuan mendorong inovasi.

Juniper Networks, Inc.

Juniper Networks Inc. memasuki pasar pada tahun 1996 sebagai produsen router komputer. Perusahaan ini berbasis di Mountain View, California. Pendiriannya meliputi Pradeep Sindhu, bersama Dennis Bushnell dan Bjorn Liencres. Mereka membayangkan perusahaan mereka suatu hari akan menyediakan router berperforma tinggi yang dioptimalkan untuk kebutuhan komputasi saat ini secara global.

Dua tahun setelah peluncurannya, Juniper memperkenalkan router M40. Produk ini sukses, yang membantu perusahaan memperluas operasinya ke usaha lain. Saat ini, perusahaan menyediakan portofolio lengkap optik yang sesuai standar. Produk-produk ini meliputi transceiver optik deteksi langsung dan koheren, pluggable khusus aplikasi, serta perangkat keras komputer optik canggih lainnya.

Berita dan Kinerja Saham JNPR (JNPR) Terbaru

Meningkatkan Satelit dan Kamera Drone dengan Metalens | Kesimpulan

Metalens membuka pintu untuk tingkat kemampuan optik baru. Perangkat ini sudah menjadi penting dalam operasi harian, dan permintaan akan layanan mereka terus meningkat. Akibatnya, Anda dapat mengharapkan metalens muncul di hampir setiap perangkat optik portabel miniatur dalam beberapa tahun mendatang. Oleh karena itu, para insinyur ini pantas mendapatkan tepuk tangan berdiri atas upaya mereka, yang dapat memberikan dampak besar pada industri ke depan.

Pelajari tentang Pengembangan Ilmu Material Menarik lainnya Di sini

Referensi

^{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}