Революция мета-линз идет полным ходом
В ноябре в России нужно писать о революции. Фотонные устройства имеют несколько преимуществ перед традиционной электроникой с точки зрения миниатюризации и скорости передачи данных. Но до недавнего времени линзы никак не удавалось миниатюризировать. Размер линз ограничивался свойствами материала (показателем преломления и дисперсией) стекла или пластмассы. В результате, современная оптическая технология по-прежнему в значительной степени основана на средневековом инструменте- стеклянной линзе. Не было никакой возможности значительно уменьшить размер объективов, используемых в камерах, микроскопах, телескопах и другом оптическом оборудовании. До недавнего времени металинзы – крохотные плоские «линзы» способные фокусировать свет с помощью массива наноразмерных вертикальных пластинок, расположенного на их поверхности – были интересной, но мало изученной и даже сомнительной идеей, когда дело касалось практических применений.
Обычные линзы отклоняют лучи света за счет формы своей поверхности. В отличие от них, металинзы используют волновые свойства света, и изменяют траекторию лучей при помощи миниатюрных антенн, встроенных в массив материала. Объектив из обычных линз — сложное и дорогое механическое устройство, поскольку не существует способа принципиально упростить полировку стекол или зеркал. Кроме того, поскольку качественный объектив не может использовать только одну линзу, в них помещают набор линз, что дополнительно увеличивает размер устройства.
Метаматериалами называют такие материалы, свойства которых (например, оптические) определяются в большей степени не веществами, из которых они состоят, а периодическими структурами, которые эти вещества образуют. Металинзы лишены вышеописанных недостатков классических линз, поскольку имеют толщину в пределах десятков микрон, и обладают множеством преимуществ, например, возможностью преодолеть стандартный дифракционный предел. Вдобавок, если обычный объектив управляется изменением расстояния между линзами, то в объективе из металинз их не обязательно двигать: достаточно локально менять оптические свойства поверхности, что работает аналогично сгибанию стеклянной линзы или металлического зеркала. Имея толщину в 100 000 раз меньше, чем толщина стекла, металинзы обладали одним существенным недостатком – они могли пропускать лишь отдельные цвета видимого спектра, поэтому применение их в области фотоники всегда оставалось под вопросом. Эволюция технологий металинз демонстрирует перспективность их использования для оптических систем, систем визуализации и отображения, и теперь их изготовление стало возможным на тех же заводах, что и компьютерные чипы. Это может помочь ускорить их внедрение и снизить затраты.
В настоящее время первые применения металинз стали реальностью, и вся производственная цепочка для производства больших объемов продукции начинает реализовываться. Эта технология плоских линз революционизирует оптику, используемую для считывания и визуализации.
Развитие технологии металинз
В 2016 году исследователи из Школы инженерных и прикладных наук (SEAS) имени Джона А. Паульсена Гарвардского университета продемонстрировали первые металинзы, которые эффективно работали в диапазоне видимого света, охватывая весь спектр цветов от красного до синего. Команда SEAS во главе с Капассо разработала свои металлы для фокусировки света на одной точке примерно 400 нм в поперечнике. В отличие от традиционных линз, команда Капассо использовала одну тонкую плоскую структуру с множеством волноводов – таких как крошечные столбы – расположенных в конкретных рисунках, сделанных из диоксида титана (TiO2) приблизительно 600 нм. Их металинзы первыми сфокусировали весь спектр видимого света и предложили оптические характеристики лучше, чем любые современные коммерческие линзы. В частности, поскольку металинзы плоские и ультратонкие, они не производят хроматических аберраций. Они также являются ахроматическими, потому что все длины волн света проходят практически одновременно. Но, возможно, наиболее важно то, что металинзы могут быть произведены массово в существующих КМОП полупроводниковых промышленных установках, что обеспечивает массовую интеграцию оптических систем в полупроводниковые пластины. Размер металинзы — порядка 2 мм в диаметре, а стоимость их изготовления обойдется на 2-3 порядка дешевле, чем изготовление линз из просветленного оптического стекла. Используя металинзы возможно сократить расходы по изготовлению на 2 или 3 порядка. Другими словами, цену линзы высокого качества в $5000 удастся снизить до исчезающе-малых 5 долларов, сохранив при этом все ее возможности. И очень важно, что миниатюрные линзы, будучи плоскими, могут быть изготовлены в тех же самых производственных цехах, где производятся стандартные компьютерные чипы.
В течение последних шести лет исследования металинз не прекращались. Например, исследования Tunoptix, стартапа, основанного Вашингтонским университетом для разработки металинз для визуализации данных со спутников на Вашингтонском заводе наноизделий. Аналогичным образом в стремлении к миниатюризации, ученые Центра интегрированной физики наноструктур (Южная Корея) в сотрудничестве с исследователями из Бирмингемского университета работали над плоскими линзами толщиной в кредитные карты с настраиваемыми характеристиками. Эти оптические устройства, изготовленные из графена, могут стать оптическими компонентами для современных применений, таких как амплитудно-настраиваемые линзы, лазеры и динамическая голография.
Текущие применения металинз.
Использование металинз в камерах мобильных телефонов и прочей портативной техники позволит получать изображения, не уступающие по качеству снимкам, полученным с помощью полу- и профессиональных DSLR-камер.
Пионер в коммерциализации мета-оптики – бостонская компания Metalenz по производству полупроводниковой оптики, вышедшая из лаборатории Капассо в Гарвардском университете в 2016 году. Будучи полностью плоским оптическим элементом, технология Metalenz открывает путь для производства оптики и полупроводников в одном цехе. Второе поколение продуктов компании обеспечит поляризационную чувствительность в крохотном устройстве, открывая доступ ко всему – от защищенной от подделок аутентификации лица для ноутбуков и Android-устройств до автономного машинного зрения. В январе 2022 года Metalenz и TRUMPF Photonic Components – поставщик вертикально-полостных поверхностно-излучающих лазеров (VCSEL) и фотодиодных решений для рынка бытовой электроники, дата-кома, автомобилестроения, и проч. – продемонстрировали изделия для приложений смартфонов. Демонстрация успешно подтвердила, что в будущем для поддержки яркой, 3D-подсветки сцен камер смартфонов понадобится лишь половина или даже меньше оптических компонентов. Эти преимущества в сочетании с сокращением пространства между компонентами означают, что производители смартфонов могут получить техническое конкурентное преимущество.
Мета-оптические элементы компании NILT были продемонстрированы в 2021 году, с рекордно высокой абсолютной эффективностью 94%. Сегодня они над разработкой многочисленных мета-оптических решений в области трехмерного зондирования, бытовой электроники и AR/VR/смешанной реальности (MR). Компания Heidelberg Instruments/Multiphoton Optics разработала новаторский подход к изготовлению металинз с использованием технологии двухфотонной полимеризации (TPP), основанной на системе прямого лазерного письма MPO 100 компании Multiphoton Optics. В результате нелинейного поглощения TPP обеспечивает размеры элементов ниже предела дифракции и позволяет изменять диаметр и высоту волноводов, обеспечивая дополнительную свободу в конструкции для металлических элементов на основе полимера.
Будущие проблемы
Стоимость пока является серьезной проблемой для изготовления металинз, поскольку трудность точного изготовления наноразмерных элементов на чипе сантиметрового масштаба является очевидной. Существуют также технические проблемы – металинзы не пропускают свет так же эффективно, как традиционные линзы, что является важным недостатком для таких применений, как полноцветное изображение. Металинзы тоже слишком малы, чтобы улавливать большое количество света, а значит, по крайней мере пока, они не подходят для производства высококачественных фотографий.
У идеальной линзы при перемещении от центра к краям свет в каждой точке отклоняется на плавно возрастающий угол, чему соответствует бесконечный спектр вариантов фазового сдвига между волнами, от нуля до двух π. Чтобы добиться этого напрямую, потребовалось бы изготовить бесконечное число вариантов наноантенн. В то же время, разработка каждой из них требует сложных вычислений, поэтому ученые упростили задачу и задали модель, в которой сдвиг меняется дискретно.
По словам Лиевена Пеннинка (Lieven Penninck), основателя компании PlanOpSim, бельгийского стартапа, занимающегося разработкой программного обеспечения для численного моделирования металлообработки, для полного внедрения металлообработки потребуется новая производственно-сбытовая цепочка и экосистема, объединяющие производителей, поставщиков материалов, конструкторские бюро и интеграторов. По этой причине компания PlanOpSim разработала интегрированную программную систему, охватывающую процесс проектирования мета-поверхности до подключения к широко распространенным средствам трассировки лучей для оптимизации системы. Их масштабный подход к моделированию позволяет обрабатывать структуры металинз в суб-волновом диапазоне с помощью полного решения уравнения Максвелла и применять соответствующие аппроксимации.
Несмотря на некоторые нерешенные проблемы, прогресс, достигнутый на сегодняшний день с технологией металинз, показывает, что он имеет большие перспективы для дальнейшего развития оптических, визуальных и дисплейных систем. Новые материалы могут быть изготовлены на тех же заводах, что и компьютерные чипы, и при массовом производстве появляется возможность масштабирования при гораздо более низкой удельной стоимости. Эти преимущества, наряду с высокой производительностью, уменьшенным размером и весом, а также улучшенной функциональностью и эффективностью по сравнению с традиционными линзами, дает возможность революционизировать то, как мы видим мир.
По данным https://www.laserfocusworld.com/ составитель Наумов А.В.
