Las imágenes infrarrojas de longitud de onda larga (LWIR) tienen una importancia fundamental en muchas aplicaciones, desde la electrónica de consumo hasta la defensa y la seguridad nacional. Encuentra aplicaciones en visión nocturna, teledetección e imágenes de largo alcance. Sin embargo, las lentes refractivas convencionales empleadas en estos sistemas de formación de imágenes son voluminosas y pesadas, lo que no es deseable para casi todas las aplicaciones. Para agravar este problema está el hecho de que muchas lentes refractivas LWIR están fabricadas con materiales costosos y de suministro limitado, como el germanio.
La próxima generación de sistemas ópticos exige lentes que no sólo sean más livianas y delgadas que nunca, sino que también mantengan una calidad de imagen sin concesiones. Esta demanda ha impulsado una oleada de esfuerzos para desarrollar ópticas difractivas ultrafinas por debajo de la longitud de onda, conocidas como metaóptica.
La metaóptica, en su forma más simple, consiste en conjuntos de nanopilares de escala inferior a la longitud de onda sobre una superficie plana, y cada pilar introduce un cambio de fase local en la luz que la atraviesa. Al disponer estratégicamente estos pilares, se puede controlar la luz para producir dirección y lentes. Mientras que las lentes refractivas convencionales tienen un grosor cercano a un centímetro, las metaópticas tienen un grosor de aproximadamente 500 micras, lo que reduce drásticamente el grosor total de la óptica.
Sin embargo, un desafío de la metaóptica son las fuertes aberraciones cromáticas. Es decir, la luz de diferentes longitudes de onda interactúa con la estructura de diferentes maneras y el resultado suele ser una lente que no puede enfocar simultáneamente luz de diferentes longitudes de onda en el mismo plano focal. En gran parte debido a este problema, la metaóptica aún no ha reemplazado completamente a sus contrapartes refractivas a pesar de los beneficios en la reducción de tamaño y peso.
En particular, el área de la metaóptica LWIR está relativamente inexplorada en comparación con la metaóptica de longitud de onda visible, y las ventajas potenciales de la metaóptica sobre las lentes refractivas convencionales son significativas dadas las aplicaciones únicas y extensas de este rango de longitud de onda.
Ahora, en un nuevo artículo publicado en Nature Communications , un equipo multiinstitucional de investigadores, dirigido por Arka Majumdar, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (UW ECE) de la Universidad de Washington y del departamento de física, ha introducido un nuevo marco de diseño denominado "ingeniería MTF".
La función de transferencia de modulación, o MTF, describe qué tan bien una lente mantiene el contraste de la imagen en función de la frecuencia espacial. Este marco aborda los desafíos asociados con la metaóptica de banda ancha para diseñar y demostrar experimentalmente imágenes térmicas con metaóptica en entornos de laboratorio y del mundo real. El equipo se basó en técnicas de diseño inverso que ya tenían éxito y desarrolló un marco que optimiza simultáneamente tanto la forma del pilar como la disposición global.
Una innovación clave en el enfoque del equipo de investigación es el uso de inteligencia artificial (un modelo de red neuronal profunda (DNN)) para mapear entre la forma y la fase del pilar. En un proceso de diseño inverso para ópticas de área grande, no es computacionalmente factible simular cómo interactúa la luz con cada pilar en cada iteración.
Para resolver este problema, los autores simularon una gran biblioteca de nanopilares (también llamados "metaátomos") y utilizaron los datos simulados para entrenar un DNN. El DNN permitió un mapeo rápido entre el dispersor y la fase en el bucle de optimización, lo que permitió el diseño inverso de ópticas de área grande que contienen millones de pilares a escala de micrones.
Otra innovación clave en este trabajo es la figura de mérito (FoM), lo que llevó al marco a denominarse "ingeniería MTF". En diseño inverso, se define un FoM y se optimiza computacionalmente la estructura o disposición para maximizar el FoM. Sin embargo, a menudo no resulta intuitivo por qué el resultado obtenido es óptimo. Para este trabajo, los autores aprovecharon su experiencia en metaóptica para definir un FoM que sea intuitivo.
Majumdar explicó:"La cifra de mérito está relacionada con el área bajo la curva MTF. La idea aquí es pasar tanta información como sea posible a través de la lente, que se captura en el MTF. Luego, combinado con un backend computacional ligero, podemos puede lograr una imagen de alta calidad La figura de mérito refleja lo que sabemos intuitivamente sobre la óptica. Este FoM en particular se optimiza cuando todas las longitudes de onda funcionan igualmente bien, lo que limita nuestra óptica a tener un rendimiento uniforme en las longitudes de onda especificadas sin definir explícitamente la uniformidad. un criterio de optimización."
Este enfoque, que combina la intuición de la metaóptica y un backend computacional ligero, mejora significativamente el rendimiento en comparación con los metalenses simples.
Los autores fabricaron la óptica diseñada a partir de una única oblea de silicio, lo que resulta prometedor para aplicaciones futuras que involucren sistemas de imágenes LWIR sin germanio. Si bien se reconoce que todavía hay margen de mejora para lograr una calidad de imagen comparable a la de los sistemas de lentes refractivos comerciales, este trabajo representa un paso importante hacia ese objetivo.
Los investigadores han hecho generosamente que su marco de ingeniería MTF, llamado "metabox", esté disponible en línea a través de GitHub, invitando a otros a usarlo para diseñar sus propias metaópticas. El equipo de investigación expresó entusiasmo por los trabajos potenciales que pueden surgir de la utilización de metabox en la comunidad científica en general.
Los miembros del equipo afiliado a UW ECE incluyeron a los ex alumnos Luocheng Huang (autor principal del artículo) y Zheyi Han, los investigadores postdoctorales Saswata Mukherjee, Johannes Fröch y Quentin Tanguy, así como al profesor de UW ECE Karl Böhringer, director del Instituto de Nanotecnología. -Sistemas de ingeniería en la Universidad de Washington.
Más información: Luocheng Huang et al, Imágenes térmicas de banda ancha utilizando metaóptica, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45904-w
Proporcionado por la Universidad de Washington - Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática
