Terobosan MIT:Optimalisasi Cepat Lensa Datar Generasi Berikutnya melalui Pemodelan Matematika Tingkat Lanjut

Institut Teknologi Massachusetts, Cambridge, MA

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

Matematikawan MIT telah mengembangkan teknik yang dengan cepat menentukan susunan ideal jutaan fitur mikroskopis individu pada permukaan metasurface untuk menghasilkan lensa datar yang memanipulasi cahaya dengan cara tertentu. Tim merancang metasurface (atas) yang diukir dengan jutaan fitur. Gambar lensa yang diperbesar (bawah) menunjukkan fitur individual, masing-masing terukir dengan cara tertentu sehingga, bersama-sama, menghasilkan efek optik yang diinginkan. (Kredit:Zin Lin)

Namun, dalam dekade terakhir, para insinyur telah menciptakan bahan datar dan sangat tipis yang disebut “metasurfaces” yang dapat melakukan trik cahaya jauh melampaui kemampuan lensa lengkung tradisional. Insinyur mengukir fitur individu, ratusan kali lebih kecil dari lebar sehelai rambut manusia, ke permukaan metasurface ini untuk menciptakan pola yang memungkinkan permukaan secara keseluruhan menyebarkan cahaya dengan sangat tepat. Namun tantangannya adalah mengetahui secara pasti pola apa yang diperlukan untuk menghasilkan efek optik yang diinginkan.

Ahli matematika MIT kini telah menemukan solusinya – teknik komputasi baru yang dengan cepat menentukan susunan ideal dan susunan jutaan fitur mikroskopis individu pada permukaan meta, untuk menghasilkan lensa datar yang memanipulasi cahaya dengan cara tertentu. Penelitian sebelumnya mengatasi masalah ini dengan membatasi kemungkinan pola pada kombinasi bentuk yang telah ditentukan, seperti lubang melingkar dengan jari-jari berbeda, namun pendekatan tersebut hanya mengeksplorasi sebagian kecil dari pola yang berpotensi dibuat. Teknik baru ini merupakan teknik pertama yang secara efisien merancang pola arbitrer untuk metasurface optik skala besar, berukuran sekitar 1 sentimeter persegi — sebuah area yang relatif luas, mengingat lebar masing-masing fitur tidak lebih dari 20 nanometer.

Sebuah metasurface tunggal biasanya dibagi menjadi piksel kecil berukuran nanometer. Setiap piksel dapat digores atau dibiarkan tidak tersentuh. Yang tergores dapat disatukan untuk membentuk sejumlah pola berbeda. Hingga saat ini, para peneliti telah mengembangkan program komputer untuk mencari kemungkinan pola piksel pada perangkat optik kecil berukuran puluhan mikrometer. Struktur presisi kecil seperti itu dapat digunakan, misalnya, untuk menjebak dan mengarahkan cahaya dalam laser ultrakecil. Program yang menentukan pola pasti dari perangkat kecil ini melakukannya dengan menyelesaikan persamaan Maxwell – serangkaian persamaan mendasar yang menggambarkan hamburan cahaya – berdasarkan setiap piksel dalam perangkat, kemudian menyetel polanya, piksel demi piksel, hingga strukturnya menghasilkan efek optik yang diinginkan. Namun para peneliti mengatakan tugas simulasi piksel demi piksel ini menjadi hampir mustahil dilakukan pada permukaan berskala besar yang berukuran milimeter atau sentimeter. Komputer tidak hanya harus bekerja dengan luas permukaan yang jauh lebih besar, dengan jumlah piksel yang lebih banyak, tetapi juga harus menjalankan beberapa simulasi dari banyak kemungkinan susunan piksel untuk akhirnya mencapai pola optimal. Tim kini telah menemukan jalan pintas yang secara efisien mensimulasikan pola piksel yang diinginkan untuk metasurface skala besar. Daripada harus menyelesaikan persamaan Maxwell untuk setiap piksel berukuran nanometer dalam satu sentimeter persegi material, para peneliti memecahkan persamaan ini untuk “tambalan” piksel. Simulasi komputer yang mereka kembangkan dimulai dengan sentimeter persegi piksel berukuran nanometer yang tergores secara acak. Mereka membagi permukaan menjadi beberapa kelompok piksel, atau patch, dan menggunakan persamaan Maxwell untuk memprediksi bagaimana setiap patch menghamburkan cahaya. Mereka kemudian menemukan cara untuk “menjahit” solusi tambalan tersebut, untuk menentukan bagaimana cahaya menyebar ke seluruh permukaan yang tergores secara acak. Dari pola awal ini, mereka mengadopsi teknik matematika yang dikenal sebagai optimasi topologi, yang pada dasarnya mengubah pola setiap patch melalui banyak iterasi, hingga permukaan akhir, atau topologi, menyebarkan cahaya sesuai keinginan.

Mereka menyamakan pendekatan ini dengan mencoba menemukan jalan ke atas bukit, dengan mata tertutup. Untuk menghasilkan efek optik yang diinginkan, setiap piksel dalam patch harus memiliki pola tergores optimal yang secara metaforis dapat dianggap sebagai puncak. Menemukan puncak ini, untuk setiap piksel dalam sebuah patch, dianggap sebagai masalah optimasi topologi. Untuk setiap simulasi, mereka menentukan cara mengubah setiap piksel. Struktur baru yang diperoleh dengan cara ini dapat disimulasikan ulang. Proses ini terus Anda lakukan, setiap kali menanjak hingga mencapai puncak, atau pola optimal.

Teknik tim ini mampu mengidentifikasi pola optimal hanya dalam beberapa jam, dibandingkan dengan pendekatan piksel demi piksel tradisional yang, jika diterapkan langsung pada metasurface besar, akan sulit dilakukan. Dengan menggunakan teknik mereka, para peneliti menghasilkan pola optik untuk beberapa “perangkat meta,” atau lensa, dengan berbagai sifat optik, termasuk konsentrator surya yang mengambil cahaya masuk dari segala arah dan memfokuskannya ke satu titik, dan lensa akromatik, yang menyebarkan cahaya dengan panjang gelombang atau warna berbeda, ke titik yang sama, dengan fokus yang sama.

Jika Anda memiliki lensa di kamera dan fokusnya pada Anda, lensa tersebut harus fokus pada semua warna secara bersamaan. Warna merah seharusnya tidak berada dalam fokus tetapi warna biru tidak fokus. Jadi, Anda harus membuat pola yang menyebarkan semua warna dengan cara yang sama. Tim mengatakan bahwa teknik mereka mampu menghasilkan pola gila yang melakukan hal itu.

Ke depan, para peneliti bekerja sama dengan para insinyur untuk membuat pola rumit yang dipetakan oleh teknik mereka, untuk menghasilkan metasurface besar, yang berpotensi digunakan untuk lensa ponsel yang lebih presisi dan aplikasi optik lainnya. Misalnya, sensor untuk mobil yang dapat berjalan sendiri, atau augmented reality, yang memerlukan optik yang bagus.

Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Abby Abazorius di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya..