Terobosan MIT: Optimasi Cepat Lensa Datar Generasi Mendatang melalui Pemodelan Matematika Lanjutan

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

Sebagian besar kita mengenal lensa optik sebagai potongan plastik atau kaca transparan yang melengkung, dirancang untuk memfokuskan cahaya untuk mikroskop, kacamata, kamera, dan lainnya. Sebagian besar, bentuk melengkung lensa tidak berubah banyak sejak ditemukan berabad-abad yang lalu.

MIT mathematicians have developed a technique that quickly determines the ideal arrangement of millions of individual microscopic features on a metasurface in order to generate a flat lens that manipulates light in a specified way. The team designed a metasurface (top) etched with millions of features. A zoomed-in image of the lens (bottom) shows individual features, each etched in a specific way so that, together, they produce a desired optical effect. (Credit: Zin Lin)

Dalam dekade terakhir, insinyur telah menciptakan material ultratisip datar yang disebut "metasurface" yang dapat melakukan trik cahaya jauh di luar apa yang dapat dilakukan lensa melengkung tradisional. Insinyur mengukir fitur individual, ratusan kali lebih kecil dari lebar satu benang rambut manusia, pada metasurface ini untuk menciptakan pola yang memungkinkan permukaan secara keseluruhan untuk menserang cahaya dengan sangat tepat. Namun tantangannya adalah untuk mengetahui pola yang tepat yang diperlukan untuk menghasilkan efek optik yang diinginkan.

Matematikawan MIT sekarang telah menemukan solusi — teknik komputasi baru yang dengan cepat menentukan komposisi dan susunan ideal dari jutaan fitur mikroskopik individual pada metasurface, untuk menghasilkan lensa datar yang memanipulasi cahaya dengan cara yang ditentukan. Pekerjaan sebelumnya menyerang masalah dengan membatasi pola yang mungkin ke kombinasi bentuk yang ditentukan sebelumnya, seperti lubang lingkaran dengan radius yang berbeda, tetapi pendekatan itu hanya menjelajahi sebagian kecil dari pola yang dapat dibuat. Teknik baru adalah yang pertama untuk merancang pola sewenang-wenang secara efisien untuk metasurface optik skala besar, yang berukuran sekitar 1 sentimeter persegi — area yang cukup luas, mengingat setiap fitur individual tidak lebih dari 20 nanometer lebar.

Satu metasurface biasanya dibagi menjadi piksel kecil berukuran nanometer. Setiap piksel dapat diukir atau dibiarkan tidak disentuh. Yang diukir dapat digabungkan untuk membentuk sejumlah pola yang berbeda. Sampai saat ini, peneliti telah mengembangkan program komputer untuk mencari pola piksel yang mungkin untuk perangkat optik kecil yang berukuran puluhan mikrometer. Struktur yang presisi kecil ini dapat digunakan untuk, misalnya, menangkap dan mengarahkan cahaya dalam laser yang sangat kecil. Program yang menentukan pola tepat dari perangkat kecil ini melakukannya dengan menyelesaikan persamaan Maxwell — serangkaian persamaan dasar yang menjelaskan pencaran cahaya — berdasarkan setiap piksel dalam perangkat, kemudian menyesuaikan pola, piksel demi piksel, sampai struktur menghasilkan efek optik yang diinginkan. Tetapi peneliti mengatakan tugas simulasi piksel-demi-piksel ini menjadi hampir mustahil untuk permukaan skala besar yang berukuran milimeter atau sentimeter. Komputer tidak hanya harus bekerja dengan area permukaan yang jauh lebih besar, dengan banyak lebih banyak piksel, tetapi juga harus menjalankan banyak simulasi dari banyak susunan piksel yang mungkin untuk akhirnya tiba pada pola optimal. Tim sekarang telah menemukan jalan pintas yang mensimulasikan pola piksel yang diinginkan untuk metasurface skala besar secara efisien. Sebaliknya harus menyelesaikan persamaan Maxwell untuk setiap piksel berukuran nanometer dalam sentimeter persegi material, para peneliti menyelesaikan persamaan ini untuk piksel "patches." Simulasi komputer yang mereka kembangkan dimulai dengan sentimeter persegi piksel berukuran nanometer yang diukir secara acak. Mereka membagi permukaan menjadi grup piksel, atau patches, dan menggunakan persamaan Maxwell untuk memprediksi bagaimana setiap patch menserang cahaya. Kemudian mereka menemukan cara untuk secara mendekati "menjahit" solusi patch bersama-sama, untuk menentukan bagaimana cahaya berserang di seluruh permukaan yang diukir secara acak. Dari pola awal ini, mereka mengadopsi teknik matematika yang dikenal sebagai topology optimization, untuk secara esensial menyesuaikan pola setiap patch melalui banyak iterasi, sampai permukaan akhir, atau topologi, menserang cahaya dengan cara yang diinginkan.

Mereka menggambarkan pendekatan ini seperti mencoba menemukan jalan ke atas bukit, dengan dikasih mata. Untuk menghasilkan efek optik yang diinginkan, setiap piksel dalam sebuah patch harus memiliki pola ukiran optimal yang dapat dianggap metaforis sebagai puncak. Menemukan puncak ini, untuk setiap piksel dalam sebuah patch, dianggap sebagai masalah topology optimization. Untuk setiap simulasi mereka menentukan arah mana untuk menyesuaikan setiap piksel. Struktur baru yang diperoleh dengan cara ini dapat disimulasikan ulang. Anda terus melakukan proses ini, setiap kali pergi ke atas bukit sampai Anda mencapai puncak, atau pola yang dioptimalkan.

Teknik tim mampu mengidentifikasi pola optimal dalam waktu hanya beberapa jam, dibandingkan pendekatan piksel-demi-piksel tradisional yang, jika diterapkan langsung pada metasurface skala besar, akan hampir tidak dapat diatasi. Menggunakan teknik mereka, para peneliti menghasilkan pola optik untuk beberapa "metadevice," atau lensa, dengan properti optik yang bervariasi, termasuk konsentrator surya yang mengambil cahaya masuk dari arah mana pun dan memfokuskannya ke satu titik, dan lensa akromatik, yang menserang cahaya dengan panjang gelombang, atau warna, yang berbeda ke titik yang sama, dengan fokus yang sama.

Jika Anda memiliki lensa di kamera, dan difokuskan pada Anda, itu harus difokuskan untuk semua warna secara bersamaan. Merah tidak boleh difokuskan tetapi biru keluar fokus. Jadi, Anda harus membuat pola yang menserang semua warna dengan cara yang sama. Tim mengatakan bahwa teknik mereka mampu menghasilkan pola yang gila yang melakukan itu.

Melanjutnya, para peneliti bekerja sama dengan insinyur untuk memproduksi pola rumit yang dipetakan oleh teknik mereka, untuk menghasilkan metasurface skala besar, dengan potensi untuk digunakan untuk lensa ponsel yang lebih presisi dan aplikasi optik lainnya. Misalnya, sensor untuk mobil yang mengemudi sendiri, atau augmented reality, di mana Anda memerlukan optik yang baik.

Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Abby Abazorius di This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..