Notícias

Jun 15, 2023

O design inverso permite grandes

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 2409 (2022) Citar este artigo 15k Acessos 38 Citações 99 Detalhes das Métricas Altmétricas A meta-óptica alcançou grandes avanços na última década;

Nature Communications volume 13, número do artigo: 2409 (2022) Citar este artigo

15 mil acessos

38 citações

99 Altmétrico

Detalhes das métricas

A metaóptica alcançou grandes avanços na última década; no entanto, o design avançado convencional enfrenta desafios à medida que a complexidade da funcionalidade e o tamanho do dispositivo aumentam. O projeto inverso visa otimizar o projeto metaóptico, mas atualmente tem sido limitado por caros solucionadores numéricos de força bruta a pequenos dispositivos, que também são difíceis de realizar experimentalmente. Aqui, apresentamos uma estrutura geral de design inverso para meta-ópticas complexas aperiódicas de grande escala (20k × 20k λ2) em três dimensões, o que alivia o custo computacional para simulação e otimização por meio de um solucionador aproximado rápido e um método adjunto, respectivamente. Nossa estrutura leva em conta naturalmente as restrições de fabricação por meio de um modelo substituto. Em experimentos, demonstramos metalenses corrigidas por aberração trabalhando no visível com alta abertura numérica, foco policromático e grande diâmetro até a escala centimétrica. Essa metaóptica em grande escala abre um novo paradigma para aplicações, e demonstramos seu potencial para futuras plataformas de realidade virtual usando uma meta-ocular e um display de cristal microlíquido retroiluminado a laser.

A metaóptica, uma nova classe de óptica planar, remodelou a engenharia das ondas eletromagnéticas usando componentes artificiais de subcomprimentos de onda ou “metaátomos”1,2,3,4,5,6. Avanços recentes na física7,8,9,10,11 e avanços na fabricação de metaóptica em larga escala12,13,14 inspiram uma visão para um futuro em que a metaóptica será amplamente utilizada. Estudos recentes demonstraram tecnologias de ponta baseadas em plataformas meta-ópticas, como câmeras de polarização/campo de luz/imagem de profundidade15,16,17,18, OLEDs acionados por metassuperfície19, sistemas de realidade virtual/aumentada20,21, espectrômetros compactos22,23 ,24, etc. Até agora, o projeto principal da metaóptica é baseado principalmente em uma metodologia “forward”, na qual cada componente individual do metaátomo (como um deslocador de fase) é projetado de forma independente, de acordo com um perfil de fase predefinido . ,26. O design avançado demonstrou sucesso na realização de funções simples de dispositivos, como curvatura de onda de comprimento único27,28,29 ou foco;30,31 no entanto, ele depende fortemente de conhecimento intuitivo a priori e limita o desenvolvimento de meta-ópticas complexas em larga escala que pode realizar várias funções personalizadas dependendo dos comprimentos de onda, polarizações, rotações e ângulos da luz incidente. À medida que a complexidade, o diâmetro ou as restrições de um problema de projeto aumentam, a capacidade de um método orientado para o futuro de procurar uma solução ideal torna-se cada vez mais fraca. O avanço futuro da meta-óptica exige um avanço na filosofia de design.

Em contraste com o projeto direto, o projeto inverso começa com as funções desejadas e otimiza as geometrias do projeto usando algoritmos computacionais. Tem sido uma ferramenta útil na resolução de problemas complexos de engenharia em grande escala, como a otimização do formato de pontes ou asas de aeronaves. Nos últimos anos, o design inverso tem remodelado o cenário da engenharia fotônica. Vários tipos de técnicas de design inverso foram estudados: técnicas de otimização topológica, que usam uma ferramenta de otimização baseada em gradiente local para procurar geometrias fotônicas ideais ; e técnicas de aprendizado de máquina34,35,36, que treinam uma rede neural para encontrar um design para uma determinada resposta37 ou treinam uma rede generativa (por exemplo, rede adversária generativa) para amostrar os designs de alto desempenho38. Uma evolução recente do design inverso em fotônica otimiza a geometria e os parâmetros de pós-processamento de ponta a ponta . O design inverso demonstrou sucesso significativo na otimização de cristais fotônicos , nanofotônica no chip 43,44, metassuperfícies 45,46 e outros dispositivos.

O design inverso permanece muito desafiador para metaópticas aperiódicas em grande escala. A otimização depende de muitas iterações de simulações, que se tornam computacionalmente intratáveis ​​à medida que a dimensão do projeto aumenta devido à natureza multiescala dos problemas de projeto : o meta-átomo em nanoescala (nm) e a meta-óptica em macroescala (100 s de µm a cm). Por um lado, não é realista modelar um dispositivo 3D aperiódico com um diâmetro de 1 cm usando o domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD) ou o método de análise de elementos finitos, que podem capturar a física em nanoescala, mas são limitados tanto pela computação tempo e capacidade de memória. Por exemplo, são necessários aproximadamente 100 horas e aproximadamente 100 gigabytes de memória RAM para um solucionador FDTD simular um dispositivo de metassuperfície de 50 µm2 de tamanho (assumindo um tamanho de malha de 5 nm). Por outro lado, as simulações de traçado de raios, que são adequadas para projetos ópticos em larga escala, não conseguem capturar a natureza de onda completa do campo óptico. Eles também permitem apenas perfis de fase de variação lenta, excluindo a rica física das frentes de onda de fase de variação rápida oferecidas por metaátomos projetados. Até onde sabemos, o diâmetro de metassuperfícies totalmente tridimensionais com design inverso foi limitado a cerca de 200λ48,49,50,51, cerca de 100 µm para luz visível. Além disso, nossa estrutura de design inverso lida com restrições de fabricação dentro de um modelo substituto, em contraste com a maioria das estruturas de design inverso, que precisam adicionar essas restrições durante a otimização52.