Geniş alanlı uyarlanabilir "süper lens": Gelecekte "yapay gözler" haline gelmesi bekleniyor
Kılavuz
Son zamanlarda, Harvard Üniversitesi'nin John Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndaki (SEAS) araştırmacılar, uyarlanabilir bir hiperlens (metaller) geliştirdiler. Aslında bunu elektronik olarak kontrol edilen düz bir yapay göz olarak düşünebiliriz.
arka fon
Metamalzemeler "Metamalzeme" olarak da bilinen (Metamalzeme), bir yapının yapay olarak tasarlanmasıyla gerçekleştirilen ve doğal malzemelerin sahip olamayacağı olağanüstü fiziksel özelliklere (negatif geçirgenlik, negatif geçirgenlik, negatif kırılma indisi vb.) Sahip kompozit bir malzemedir. Metamalzemeler yıkıcı bir ileri teknoloji alanıdır.Uygulama alanları şunları içerir: optik fiber, medikal, havacılık, sensörler, radom, radar anteni, akustik gizlilik teknolojisi, atık ısı kullanımı, terahertz, mikroelektronik, dalga emici malzemeler, holografi Teknoloji vb.
Metamalzemelere dayanarak, bilim adamları daha da geliştirdiler Metasurface (Metasurface). Belirli bir şekilde düzenlenmiş özel elektromanyetik özelliklere sahip yapay atomlardan oluşan, gelen ışığın genliği, fazı ve polarizasyonunun esnek kontrolünü gerçekleştirebilen, güçlü ışık alanı manipülasyon yeteneklerine sahip iki boyutlu düzlemsel bir yapıdır.
Ultra ince süper yüzey sayesinde bilim adamları düz bir yüzey oluşturdular. Hyperlens (Metaller). Bir süper lensin en büyük avantajı: hafif ve ince (kalınlığı nanometre seviyesidir) ve minyatürleştirmedir, işlevi geleneksel lensi büyük ölçüde aşar. Süper lensin, geleneksel optik cihazlardaki hantal lens setini tamamen ters çevirmesi, cep telefonlarını, kameraları ve güvenlik kameralarını çok ince ve çok küçük hale getirmesi bekleniyor.
Yazar bir zamanlar süper lensin araştırma sonuçlarını tanıttı, işte iki tipik vakanın gözden geçirilmesi:
1) Kore Temel Bilim Enstitüsü (IBS) Entegre Nanoyapı Fiziği Merkezi'nden bilim adamları, Birmingham Üniversitesi, Birleşik Krallık ve Kore Bilim ve Teknoloji Akademisi'nden (KAIST) bilim adamları ile ayarlanabilir işlevlere ve bir kredi kartı gibi kalınlığa sahip düz bir hiperlens geliştirmek için işbirliği yaptı. . Grafen ve delikli altın yüzeyden oluşur ve ayarlanabilir genlikli lensler, lazerler (vorteks faz plakaları gibi) ve dinamik holografi gibi bazı gelişmiş uygulamalar için optik bir bileşen olarak kullanılabilir.
(Resim kaynağı: referans [2])
2) Harvard Üniversitesi John Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndan (SEAS) bir bilim insanı ekibi, tüm görünür ışık spektrumunu (beyaz ışık dahil) aynı noktaya odaklayabilen ve yüksek çözünürlüğe ulaşabilen ilk hiperlensleri geliştirdi. oranı.
(Fotoğraf kredisi: Jared Sisler / Harvard SEAS)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Harvard Üniversitesi'nin John Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndaki (SEAS) araştırmacılar, uyarlanabilir bir hiperlens (metaller) geliştirdiler. Aslında bunu elektronik olarak kontrol edilen düz bir yapay göz olarak düşünebiliriz. Bu tür kendi kendine uyarlanabilir hiper lens, bulanık bir görüntüyü oluşturan üç ana faktörü aynı anda kontrol edebilir: odak uzaklığı, astigmatizm ve görüntü kayması.
Aşağıdaki resim şunları göstermektedir: süper lens (silikondan yapılmıştır) şeffaf bir elastik polimer film (elektrotsuz) üzerine yerleştirilmiştir. Bu renkli yanardönerlik, süper lensteki çok sayıda nanoyapı tarafından üretilir.
(Resim kaynağı: Capasso Laboratuvarı / Harvard SEAS)
Aşağıdaki şekil şunu göstermektedir: uyarlanabilir bir hiper lens ışığı görüntü sensörüne odaklar. Elektrik sinyali, daha iyi görüntü efektlerine yol açan istenen optik dalga cephesini (kırmızı) üretmek için hiperlenslerin şeklini kontrol eder. Gelecekte, bu tür uyarlanabilir hiper lensler, minyatürleştirilmiş düzlemsel otofokus, optik sapmaları düzeltme ve optik görüntü stabilizasyonu gerçekleştirme yeteneği sağlayan cep telefonu kameraları ve mikroskoplar gibi görüntüleme sistemlerine yerleştirilecek.Tüm bu kontroller tek bir cihaz tarafından kontrol ediliyor. Düzlem gerçekleştirme.
(Resim kaynağı: Capasso Laboratuvarı / Harvard SEAS)
Araştırma sonuçları "Science Advances" dergisinde yayınlandı. Harvard Üniversitesi Teknoloji Geliştirme Ofisi, bu projenin ilgili fikri mülkiyet haklarını korumuştur.
Bu çalışmanın ortak yazarları şunlardır: SEAS kıdemli elektrik mühendisliği araştırmacısı, uygulamalı fizik profesörü, Federico Capasso makalesinin kıdemli yazarı, SEAS yüksek lisans öğrencisi, makalenin ilk yazarı Alan She, Shuyan Zhang ve Samuel Shian. Araştırma, ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Servisi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen Nanosistemler Merkezi (CNS) de araştırma çalışmasının bir kısmına katıldı.
teknoloji
Yapay bir göz oluşturmak için, ilk olarak araştırmacıların hiperlensleri büyütmeleri gerekir. Önceden, süper lensin boyutu küçük bir parıltı tozu parçasıyla yaklaşık aynı boyuttaydı. Her biri ışıktan daha küçük dalga boyuna sahip yoğun bir nanoyapı modeli aracılığıyla ışığı odaklıyor ve küresel sapmayı ortadan kaldırıyorlar.
Nanoyapı çok küçük olduğu için her bir lensteki bilgi yoğunluğu son derece yüksek. 100 mikronluk bir lensi santimetre düzeyinde bir lense çevirirseniz, lensi tanımlamak için gereken bilgi 10.000 kat artacaktır. Lens boyutunu büyütmeye çalışırken, tasarım dosyasının boyutu gigabayt veya hatta terabayt düzeyine yükselecektir. "
Bu sorunu çözmek için araştırmacılar, dosya boyutunu sıkıştırmak için yeni bir algoritma geliştirdiler, böylece süper lens mevcut entegre devre üretim teknolojisiyle uyumlu olabilir. Yakın zamanda "Optics Express'te yayınlandı
Dergideki bir makalede araştırmacılar, santimetre veya daha uzun bir çapa sahip ultra lensin tasarım ve üretim yöntemlerini açıkladılar.
(Resim kaynağı: referans [4])
(Resim kaynağı: referans [4])
Ardından, araştırmacıların büyük süper lensi yapay kasa ışık toplama kabiliyetini etkilemeden bağlamaları gerekiyor. İnsan gözünde siliyer kas, merceği gerebilen veya daraltabilen, şeklini değiştirebilen ve odağı ayarlayabilen merceği çevreler. Capasso ve ekibi, SEAS'ta malzeme bilimi profesörü ve dielektrik elastomer aktüatörlerin (yapay kaslar) mühendislik uygulamasında öncü olan David Clarke ile işbirliği yaptı.
Araştırmacılar, lense bağlı ince, şeffaf, düşük kayıplı bir dielektrik elastomer seçtiler. Bu şekilde ışığın malzemeden geçerken saçılması azdır. Bunu yapmak için, araştırmacıların lensleri yumuşak yüzeylere aktarmak ve yapıştırmak için bir platform geliştirmeleri gerekiyor.
Clarke şunları söyledi: "Yarı iletkenlerin aksine, elastomerler neredeyse her gün değişiyor. Bu nedenle, zorluk, özelliklerinin yeni bir çok işlevli cihaz türü oluşturmak için nasıl birleştirileceğidir, özellikle de bir üretim çözümünün nasıl tasarlanacağıdır. 1960'ların ortalarında, biri ilkini icat etti Taramalı elektron mikroskopları (SEM'ler). Bu nedenle, gerçek zamanlı sapma kontrolü gibi SEM işlevlerine sahip optik mikroskopların bazı işlevlerini gerçekleştirmek çok heyecan verici olacaktır. "
Uygulanan voltaj elastomeri kontrol edebilir. Elastomer gerildiğinde, nano sütunların lens yüzeyindeki konumu değişir. Nanopilların komşularına göre konumlarını ve bu yapıların toplam yer değiştirmesini kontrol etmek, hiperlenslerin ayarlanmasını sağlayacaktır. Araştırmacılar ayrıca, bu merceğin, astigmatizm ve görüntü kaymasının neden olduğu sapmaları kontrol etmek için odağı senkronize olarak ayarlayabildiğini gösterdi.
Lens ve yapay kasın toplam kalınlığı sadece 30 mikrondur. Bir sonraki adımda, araştırmacılar lensin işlevini daha da iyileştirecek ve kontrol voltajını azaltacak.
değer
Alan She şunları söyledi: "Bu araştırma, ayarlanabilir bir hiperlens oluşturmak için yapay kas teknolojisini hiper lens teknolojisindeki çığır açan gelişmelerle birleştiriyor. Tıpkı insan gözü gibi odak uzunluğunu gerçek zamanlı olarak ayarlayabilir. Daha da ileri gittik. İnsan gözünün doğmadığı sapmaları (astigmatizm ve görüntü kayması gibi) dinamik olarak düzeltme yeteneği. "
Alan She ekliyor: Tüm optik sistemler (kameralardan mikroskoplara ve teleskoplara kadar) birden fazla bileşene sahiptir. Bu bileşenler, üretim yöntemlerine ve şu anda bulundukları yere bağlı olarak hafif açısal hatalara sahiptir veya hafif mekanik gerilime maruz kalır. Ortam, bu genellikle az miktarda astigmatizmaya ve diğer anormalliklere neden olur ve bunlar uyarlanabilir optikler tarafından düzeltilebilir.Uyarlanabilir hiper lensler düzdür, bu nedenle bu sapmaları düzeltebilir ve farklı optik fonksiyonları tek bir cihaza entegre edebilirsiniz. Kontrol düzleminde. "
Capasso şunları söyledi: "Bu çalışma, cep telefonu kameraları, gözlükler, sanal gerçeklik ve artırılmış gerçeklik donanımı gibi çeşitli alanlarda kullanılabilen gömülü optik yakınlaştırma ve otomatik netlemenin uygulanabilirliğini ortaya koyuyor. Ayrıca, gelecekte optik olarak da kullanılması bekleniyor. Bir mikroskop, bu mikroskop tamamen elektronik bir şekilde çalışacak ve aynı anda birçok sapmayı düzeltebilir. "
Capasso, "Bu araştırmanın iki endüstriyi birleştirmesi bekleniyor: yarı iletken üretimi ve lens imalatı. Bilgisayar çipleri üretmek için kullanılan teknoloji, lensler gibi meta yüzey tabanlı optik bileşenler üretmek için de kullanılabilir."
Anahtar kelime
Hyperlens, metamalzemeler, yarı iletkenler, optik
Referans
[1] https://www.seas.harvard.edu/news/2018/02/researchers-combine-metalens-with-artildo-muscle
2 Teun-Teun Kim, Hyunjun Kim, Mitchell Kenney, Hyun Sung Park, Hyeon-Don Kim, Bumki Min, Shuang Zhang. Anormal Şekilde Kırılan Terahertz Dalgalarının Geçitli Grafen Metasurayları ile Genlik Modülasyonu Gelişmiş Optik Malzemeler, 2017; 1700507 DOI: 10.1002 / adom.201700507
3 Alan She, Shuyan Zhang, Samuel Shian, David R. Clarke ve Federico Capasso. Odak uzaklığı, astigmatizma ve kaymanın eşzamanlı elektriksel kontrolüne sahip uyarlanabilir metaller . Science Advances, 2018; 4 (2): eaa9957 DOI: 10.1126 / sciadv.aap9957
4 Alan She, Shuyan Zhang, Samuel Shian, David R. Clarke, Federico Capasso. Geniş alan metalleri: tasarım, karakterizasyon ve seri üretim Optics Express, 2018; 26 (2): 1573 DOI: 10.1364 / OE.26.001573
