Hur Metalenses kommer att förändra satelliter och drönare

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.

Vad är metalenses? Ursprung och utveckling

Rötterna till metasurface-baserad optik kan spåras tillbaka till 1940-talet, när W.E. Koch utvecklade mikrovågs-diffraktiva linser. Även om de inte var riktiga “metalenses” som vi känner dem idag, lade dessa tidiga experiment grunden för platta lins-teknologin som årtionden senare utvecklades till de nanoskaliga metalenses som används idag. Mikrovågs-diffraktiva linser anses vara den första demonstrationen av denna teknik som effektivt användes.
Hoppa fram 50 år till 1990-talet, och tekniken genomgick betydande förbättringar. Detta decennium såg innovationer som graderade subvåglängds-gitter, vilka gjorde det möjligt för ingenjörer att exakt dokumentera ljusets fas. Dessa framsteg ledde också forskare till att skapa linser specifikt designade för att fungera med kortare våglängder, vilket resulterade i framväxten av infraröda ljusbaserade system.

Tekniken expanderar

2016 gjorde tekniken ytterligare ett språng framåt när optiska ingenjörer vid Harvard demonstrerade en metalens vid synliga våglängder med hjälp av titandioxid-nanopelare. Denna innovation representerade en viktig milstolpe i utvecklingen av metalenses och gav högre prestanda.
Det är värt att notera att metalenses är en avgörande komponent i teknikindustrin, och moderna metalenses har krympt till nanoskaliga dimensioner, vilket betyder att de är tunnare än en hårstrå. För att uppnå detta använder ingenjörer meta-atomer.

Meta-atomer

Dessa skräddarsydda scatterare i subvåglängdsstorlek placeras i plana mönster, vilket möjliggör överlägsen subvåglängdskontroll. Dagens enheter kan användas för att finjustera polarisation, amplitud, fas och frekvens hos ljusvågor.
De gör det möjligt för ingenjörer att designa enheter som utnyttjar ultrakorta brännvidder, vilket gör dem användbara i konstruktionen av miniatyriserade elektroniska enheter. Därför kanske du inte inser att du är omgiven av metalenses varje dag, då de hjälper till med allt från kommunikation till resor och medicinska behandlingar.

Problem med metalenses idag

Uppenbarligen fanns det många tekniska hinder som ingenjörer var tvungna att övervinna för att göra metalenses till en verklighet. Trots deras framsteg under de senaste åren har dessa enheter fortfarande vissa begränsningar som har hindrat dem från att nå sin fulla potential.

För det första har de visat sig vara notoriskt svåra att skala upp. Hittills har tillverkare kämpat med att producera pålitliga metalenses med centimetrar stora öppningar. Dessa enheter är viktiga eftersom de skulle möjliggöra bredband- eller flervåglängdsoperationer.

Tyvärr fortsätter begränsande faktorer som att uppnå den nödvändiga gruppfördröjningen (GD) att hindra framsteg. Specifikt måste GD, även kallad den maximala erforderliga linjära fasdispersionen, dimensioneras i förhållande till linsens diameter. Om inte blir den achromatiska fokuseringen nästan omöjlig.

Expanderande lager

Hittills har ingenjörer bara kunnat använda enkellagers nanostrukturerade metalenses med befintliga dielektrika. Denna begränsning har gjort dem begränsade i linsdiameter och designalternativ. Ett sätt som ingenjörer försökte kringgå dessa begränsningar är genom att använda geometrisk fas för att oberoende kontrollera fasen och GD över ytan, men detta tillvägagångssätt har visat sig göra linserna polarisationkänsliga.

Tills nyligen var det omöjligt att tillverka metalenses som var tillräckligt stora för att resonera vid den längsta våglängden utan att få överväldigande interferens från kortare våglängder. Men ett team av innovativa ingenjörer kan ha hittat en lösning på dessa problem.

Swipe to scroll →

Ny metalensstudie för satelliter och drönare

Papperet Design of multilayer Huygens’ metasurfaces for large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses¹ publicerat i Optics Express belyser en ny tillverkningsmetod och ett nytt tillvägagångssätt för metalenses. Studien demonstrerade en polarisationokänslig flervåglängds metalensdesign som utnyttjar det nära infraröda (NIR) spektrumet för att förbättra prestanda och kapacitet.

Modeller

Ingenjören började med att använda avancerade datormodeller för att undersöka och testa miljontals metasurface-former och deras effekter på ljus. Intressant nog visade beräkningarna unika designer som ingenjörerna lade in i ett bibliotek. Formerna inkluderade rundade kvadrater, fyrklöversklöver, propellrar och andra oväntade variationer. Imponerande nog kunde mjukvaran exakt förutsäga enstaka våglängdsresonanser i både elektriska och magnetiska dipoler. Dessa våglängder är kända som Huygens-resonanser.

Källa – Australian National University

Metalenses

När ingenjörerna fastställt den exakta formen på ytan av nanostrukturerna på linserna, började de utveckla linsens yta. Ingenjörerna designade meta-atomer med en omvänd formoptimeringsmetod för att skapa en multizon-dispersionsutformad metalens.

Huygens’ metasurfacelag

I denna strategi använder metalenses meta-atomer arrangerade för att stödja spektralt överlappande elektriska (ED) och magnetiska (MD) dipolära resonanser. I denna strategi fördelas GD över flera zoner. Detta tillvägagångssätt säkerställer att varje zon begränsas av det maximalt uppnåeliga värdet för meta-atomerna.
Inledningsvis försökte teamet fokusera flera våglängder med ett enda lager. Men de insåg snabbt att de behövde gå mot en flervåglängdsstrategi. De fastställde att användningen av flera Huygens’ metasurfacelag skulle ge det perfekta sättet att separera och modulera specifika våglängder.

Flervåglängdsstrategi

Varje Huygens-metasurface designades för att modulera en specifik våglängd samtidigt som hög transmission bibehölls. Denna strategi minskar också fasstörningar vid andra våglängder, vilket gör den idealisk för den flerlageransats som ingenjörerna önskade.

För att utföra denna uppgift arbetar lager av metamaterial tillsammans för att fokusera ett spektrum av våglängder från en opolariserad källa över en stor diameter. Denna strategi ger en pålitlig metod för att överstiga den maximala gruppfördröjning som kan uppnås i en enkellagers metasurface. Specifikt eliminerar den den glesa fasprovtagningen i spatialt interleaved-design.

Som ett resultat möjliggör den för ingenjörer att justera viktiga komponenter, inklusive numerisk apertur, fysisk diameter och driftbandbredd. Ingenjörerna noterade att deras skapelse kunde fungera med maximalt fem varierande våglängder samtidigt som den levererade polarisationokänslig drift.

Uppgradering av satelliter och drönarkameror via metalenses‑test

För att testa sin enhet påbörjade forskarna att skapa en förbättrad metalens. Som steg ett designade och tillverkade teamet en metalens som kunde fungera vid 2000 och 2340 nm med en numerisk apertur (NA) på 0,11. Enheten var endast 300 nm hög och 1000 nm bred, vilket gjorde den osynlig för ögat.
Det är värt att notera att teamet testade enheten över flera våglängder. De fokuserade på att testa hela spektrumet av fasförskjutningar, från noll till två pi, samt andra viktiga steg via simuleringar. Noterbart presterade linserna liknande mycket större enheter men krävde mycket mindre utrymme och energi för att fungera.

Resultat från metalens-testet

Testet bekräftade ingenjörernas simuleringar. Metalensdesignen överträffade sina föregångare på alla fronter. Den uppnådde en normaliserad modulation transfer function (MTF) framgångsrikt. Specifikt dokumenterade teamet absoluta fokuseringseffektivitet på 65 % och 56 %. Dessa resultat är inte perfekta, men de är en enorm förbättring och går långt mot att uppnå optimal prestanda för en lins av denna storlek.

Fördelar med metalenses för rymdteknik och mer

Det finns många fördelar som denna teknik ger till marknaden. För det första kan dessa små linser placeras i fler enheter, vilket möjliggör mer kompakta konstruktioner. Dessa mikroskopiska linsernas extra kapacitet kommer att förbättra konsumentupplevelser och driva innovation inom rymdteknik, medicin och andra områden.

Hög tolerans mot lagerfeljustering

Denna design har visat sig ge hög tolerans mot lateral feljustering. Kom ihåg att i denna enhet har varje lager bara ett mycket litet avstånd till nästa lager. Denna separation sker i fjärrfältet, vilket automatiskt hjälper till att minska feljustering.

Enklare tillverkning

En annan stor fördel med denna studie är att den demonstrerar en ny tillverkningsmetod. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för forskare att skapa varje lager separat innan de helt enkelt monterar enheten för att skapa den kompletta metalensen. Denna strategi är mycket billigare än att försöka skapa varje enhet helt i en enda process.

Skalbar

Denna tillverkningsprocess kan skalas upp för att möta industrins behov. Dessutom kan själva produkten skalas upp för att passa fler tillämpningar. Dessa skalningsoperationer är möjliga tack vare användningen av avancerade genom-silikon nanofabrikationsstrategier.

Uppgradering av satelliter och drönarkameror via metalenses: Verkliga tillämpningar & tidslinje:

Det finns många tillämpningar för metalenses på marknaden. För det första kommer denna studie att hjälpa till att driva innovation. Den kommer att leda till en ny generation av mikroskopiska, prisvärda och kraftfulla optiska komponenter som kan användas i bärbara enheter och wearables.

Medicinskt område

Denna teknik kommer att ha en positiv effekt på det medicinska området, där den kan användas i allt från avancerade bildsystem till behandlingsbaserade wearables. Dessa linser kommer att ge vårdpersonal ett sätt att skapa mer effektiva och hållbara verktyg som utnyttjar teknik för att följa återhämtning.

Säkerhetssystem

En annan tillämpning för denna teknik är inom säkerhetsövervakningssektorn. Högpresterande bildsystem spelar en avgörande roll för att säkerställa att viktiga komponenter i verksamheter fungerar och är i gott skick. I framtiden kan miniatyrsensorer varna arbetare för potentiella risker, såsom sprickor, farliga kemikalier eller andra säkerhetsfaror.

Rymdteknik

Rymdteknikindustrin kommer att se omedelbar integration av denna teknik när den mognar. Metalenses kommer att användas i framtida drönare, satelliter och andra rymdteknikapplikationer. Deras lätta och kompakta design gör dem idealiska för tillämpningar där dessa faktorer är avgörande för framgång. Därför kommer drönare och jordobservationssatelliter sannolikt att vara bland de första att integrera flerskiktsmetalenses.

Elbilar

Elbilar kommer att använda denna teknik för att minska vikten på sina smarta körsystem. Allt fler elbilar vänder sig mot AI för körning och automatisk undvikning, och biltillverkare fortsätter att söka de mest effektiva och lätta optiska systemen. Denna senaste utveckling kommer att göra det möjligt för dem att få ännu längre batteritid i sina framtida fordon samtidigt som de förbättrar optiska möjligheter.

Tidslinje för uppgradering av satelliter och drönarkameror via metalenses

Det kan ta mellan 3–7 år innan denna teknik når marknaden. För konsumenter kan tekniken integreras i deras smarta enheter inom det kommande decenniet. För militära tillämpningar kommer tidslinjen att vara kortare eftersom övervakningssatelliter och drönare är en hög prioritet för dessa organisationer.

Forskare bakom uppgradering av satelliter och drönarkameror via metalenses

Forskningen för studien ‘Uppgradering av satelliter och drönarkameror via metalenses’ leddes av Research School of Physics vid Australian National University och ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS). Dessutom deltog ingenjörer från Friedrich Schiller University Jena i Tyskland, som en del av International Research Training Group Meta-ACTIVE, i arbetet. Artikeln listar specifikt Joshua Jordaan, Alexander E. Minovich, Dragomir Neshev och Isabelle Staude som huvudförfattare.

Framtiden för uppgradering av satelliter och drönarkameror via metalenses

Framtiden för metalenses ser ljus ut. Dessa ultrakompakta enheter kommer att vara avgörande för rymdteknikoperationer. Nu kommer ingenjörerna att fokusera sin forskning på godtyckliga flervåglängds fasprofiler. Deras mål är att överträffa tidigare enkla linsning och kombinera andra teknologier som AI för att optimera framtida designer.

Innovativt företag inom optiksektorn

Det finns flera företag som dominerar optiksektorn. Dessa företag spenderar årligen miljontals på forskning och utveckling i hopp om att skapa mer effektiva linsalternativ. Här är ett företag som har drivit gränserna för optisk beräkningsteknik och fortsätter att säkra högprofilerade partnerskap med målet att driva innovation.

Juniper Networks, Inc.

Juniper Networks Inc. gick in på marknaden 1996 som en tillverkare av datorroutrar. Företaget är baserat i Mountain View, Kalifornien. Dess grundare inkluderar Pradeep Sindhu, tillsammans med Dennis Bushnell och Bjorn Liencres. De föreställde sig att deras företag en dag skulle leverera högpresterande routrar optimerade för dagens globala databehov.

Två år efter lanseringen introducerade Juniper M40-routern. Denna produkt var en framgång, vilket hjälpte företaget att expandera sin verksamhet till andra områden. Idag erbjuder företaget en komplett portfölj av standardkompatibel optik. Dessa produkter inkluderar direktdetekterande och koherenta optiska transceivrar, applikationsspecifika pluggbara enheter och annan avancerad optisk datorhårdvara.

Senaste JNPR (JNPR) aktienyheter och prestanda

Uppgradering av satelliter och drönarkameror via metalenses | Slutsats

Metalenses öppnar dörren till en ny nivå av optiska möjligheter. Dessa enheter är redan avgörande för dagliga operationer, och efterfrågan på deras tjänster ökar. Följaktligen kan du förvänta dig att se metalenses i nästan varje miniatyriserad bärbar optisk enhet under de kommande åren. Därför förtjänar dessa ingenjörer stående applåder för sina insatser, som kan ha en genomslagseffekt på branschen framöver.

Lär dig mer om andra intressanta materialvetenskapliga utvecklingar Här

Referenser

^{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}