Slik vil metallinser forandre satellitter og droner

Optisk teknologi har gjort store fremskritt de siste tiårene. Fra mikrolinser i mobiltelefoner og ansiktsgjenkjenning til avansert medisinsk bildebehandling driver spesialutviklede metallinser innovasjon i en rekke sektorer.

Hva er metallinser? Opprinnelse og utvikling

Røttene til metaoverflatebasert optikk går tilbake til 1940-tallet, da W.E. Koch utviklet diffraktive mikrobølgelinser. Selv om dette ikke var metallinser slik vi kjenner dem i dag, la forsøkene grunnlaget for dagens flate linser i nanoskala.

På 1990-tallet gjorde teknologien store fremskritt. Graderte gitterstrukturer mindre enn bølgelengden ga presis kontroll over lysets fase og førte til linser for kortere bølgelengder og infrarøde systemer.

Teknologien utvides

I 2016 demonstrerte ingeniører ved Harvard en metallinse for synlig lys basert på nanopilarer av titandioksid, noe som ga et betydelig ytelsesløft.

Moderne metallinser er viktige teknologiske komponenter og kan være tynnere enn et hårstrå ved hjelp av såkalte meta-atomer.

Meta-atomer

Disse spesialutviklede sprederne, som er mindre enn lysets bølgelengde, plasseres på flate overflater og gir presis kontroll over polarisasjon, amplitude, fase og frekvens.

De muliggjør ultrakorte brennvidder og miniatyriserte elektroniske enheter for blant annet kommunikasjon, transport og medisinsk behandling.

Dagens utfordringer med metallinser

Ingeniørene måtte overvinne en rekke tekniske hindringer for å realisere metallinser. Til tross for nyere fremskritt gjenstår begrensninger som hindrer teknologien i å nå sitt fulle potensial.

En hovedutfordring er oppskalering. Produsentene har ennå ikke klart å lage pålitelige metallinser med centimeterstore åpninger, som er nødvendige for bredbåndsdrift eller bruk av flere bølgelengder.

Det er også vanskelig å oppnå nødvendig gruppeforsinkelse (GD). Den maksimale lineære fasespredningen må tilpasses linsediameteren; ellers blir akromatisk fokusering nesten umulig.

Utvidende lag

Til nå har ingeniørene hovedsakelig brukt nanostrukturerte metallinser i ett lag med eksisterende dielektriske materialer, noe som begrenser diameter og design. Geometrisk fase kan styre fase og GD uavhengig, men gjør linsen følsom for polarisasjon.

Inntil nylig var det umulig å lage metallinser som var store nok til å resonere ved den lengste bølgelengden uten kraftig interferens fra kortere bølgelengder. Et nytt ingeniørteam kan ha funnet en løsning.

Sveip for å rulle →

Ny studie av metallinser for satellitter og droner

Artikkelen «Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses»¹, publisert i Optics Express, beskriver en ny produksjonsmetode. Studien demonstrerte en polarisasjonsuavhengig metallinse for flere bølgelengder som utnytter nærinfrarødt lys (NIR) for å forbedre ytelsen.

Modeller

Ingeniørene brukte avanserte datamodeller til å teste millioner av metaoverflateformer og virkningen deres på lys. De bygde et bibliotek med avrundede firkanter, firkløvere, propellformer og andre geometrier. Programvaren kunne forutsi Huygens-resonanser ved én bølgelengde i både elektriske og magnetiske dipoler.

Metallinser

Da nanooverflatenes nøyaktige form var bestemt, utformet ingeniørene meta-atomer ved hjelp av invers formoptimalisering og skapte en flersonet metallinse med kontrollert dispersjon.

Huygens’ metasurface-lag

Meta-atomene er ordnet for å støtte spektralt overlappende elektriske (ED) og magnetiske (MD) dipolresonanser. Gruppeforsinkelsen fordeles mellom flere soner innenfor det som er fysisk oppnåelig.

Teamet forsøkte først å fokusere flere bølgelengder med ett lag, men gikk over til flere Huygens-metaoverflatelag for å skille og modulere bestemte bølgelengder.

Flerbølgelengde-strategi

Hver Huygens-metaoverflate modulerer en bestemt bølgelengde samtidig som høy transmittans opprettholdes. Den reduserer også faseforstyrrelser ved andre bølgelengder og egner seg derfor godt i en flerlagskonstruksjon.

Lag av metamaterialer samarbeider om å fokusere flere bølgelengder fra en upolarisert kilde over en stor diameter. Slik overskrides den maksimale gruppeforsinkelsen til en enkeltlags metaoverflate, samtidig som sparsom fasesampling i romlig sammenflettede design unngås.

Dette gjør det mulig å justere numerisk apertur, fysisk diameter og driftsbåndbredde. Enheten kan håndtere opptil fem bølgelengder uten å være avhengig av polarisasjon.

Test av metallinser for satellitt- og dronekameraer

Teamet laget en metallinse som fungerte ved 2 000 og 2 340 nm med en numerisk apertur på 0,11. Den var bare 300 nm høy og 1 000 nm bred og dermed usynlig for øyet.

Enheten ble testet ved flere bølgelengder og faseforskyvninger fra null til 2π. Linsene leverte tilsvarende ytelse som langt større enheter, men krevde mye mindre plass og energi.

Resultater fra testen av metallinsen

Testen bekreftet simuleringene. Metallinsen overgikk tidligere design og oppnådde en normalisert modulasjonsoverføringsfunksjon (MTF). Den absolutte fokuseringseffektiviteten var 65% og 56%, en betydelig forbedring for en linse av denne størrelsen.

Fordeler med metallinser i romfart og andre sektorer

De små linsene kan bygges inn i flere enheter og muliggjøre mer kompakte produkter. Egenskapene kan forbedre brukeropplevelsen og drive innovasjon innen romfart, medisin og andre områder.

Høy toleranse for feiljustering mellom lag

Konstruksjonen tåler betydelig sideveis feiljustering. Den minimale avstanden mellom lagene og driften i fjernfeltet reduserer automatisk virkningen av skjev plassering.

Enklere fremstilling

En annen fordel er den nye produksjonsmetoden. Hvert lag kan produseres separat og deretter settes sammen til en komplett metallinse, noe som er langt billigere enn å fremstille hele enheten i én prosess.

Skalerbar

Både produksjonsprosessen og produktet kan skaleres til industriens behov og nye bruksområder ved hjelp av avansert gjennom-silisium-nanofabrikasjon.

Metallinser for satellitt- og dronekameraer: Bruksområder og tidslinje

Metallinser kan gi en ny generasjon mikroskopisk, rimelig og kraftig optikk for bærbare enheter og kroppsnær teknologi.

Medisinsk felt

Innen medisin kan teknologien brukes i alt fra avanserte bildesystemer til kroppsbåret behandlingsutstyr, slik at helsepersonell får mer effektive og bærekraftige verktøy for å følge rekonvalesens.

Sikkerhetssystemer

Innen sikkerhet kan små sensorer varsle om hårfine sprekker, farlige kjemikalier og andre risikoer og bidra til å holde kritiske komponenter i god stand.

Romfart

Romfartssektoren vil ta i bruk teknologien i droner, satellitter og andre systemer. Lav vekt og kompakt størrelse gjør flerlags metallinser spesielt egnet for droner og jordobservasjonssatellitter.

EL-biler

Elbiler kan redusere vekten på intelligente kjøresystemer. Etter hvert som bruken av kunstig intelligens øker, kan lettere optikk forbedre både funksjonalitet og batterirekkevidde.

Tidslinje for metallinser i satellitt- og dronekameraer

Teknologien kan komme på markedet om tre til sju år og bli integrert i forbrukerenheter i løpet av det neste tiåret. Militære bruksområder vil sannsynligvis komme tidligere.

Forskerne bak metallinsestudien

Studien ble ledet av Research School of Physics ved Australian National University og ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), med deltakelse fra Friedrich Schiller University Jena. Hovedforfatterne er Joshua Jordaan, Alexander E. Minovich, Dragomir Neshev og Isabelle Staude.

Fremtiden for metallinser

Disse ultrakompakte enhetene vil bli viktige i romfarten. Forskerne vil nå undersøke vilkårlige faseprofiler for flere bølgelengder og kombinere dem med kunstig intelligens for å optimalisere fremtidige design.

Innovativt selskap i optikksektoren

Flere selskaper dominerer optikksektoren og investerer millioner i forskning og utvikling for å skape bedre linser. Følgende selskap har flyttet grensene for optisk databehandling og inngått viktige samarbeid for å drive innovasjon.

Juniper Networks, Inc.

Juniper Networks Inc. ble grunnlagt i 1996 som produsent av rutere og har hovedkontor i Mountain View i California. Pradeep Sindhu, Dennis Bushnell og Bjorn Liencres ønsket å levere høyytelsesrutere tilpasset moderne databehandling.

To år senere lanserte Juniper ruteren M40 og utvidet virksomheten. I dag tilbyr selskapet optiske transceivere for direkte og koherent deteksjon, applikasjonsspesifikke moduler og annet avansert utstyr for optisk databehandling.

Siste nytt og kursutvikling for JNPR-aksjen (JNPR)

Metallinser for satellitter og droner | Konklusjon

Metallinser åpner nye optiske muligheter. De er allerede viktige, og etterspørselen øker. I årene som kommer kan de derfor bli en del av nesten alle miniatyriserte, bærbare optiske enheter. Ingeniørenes arbeid kan få stor betydning for bransjen.

Les om andre interessante fremskritt innen materialvitenskap Her

Referanser

^{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}