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Jun 15, 2023

Il design inverso consente grandi dimensioni

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2409 (2022) Cita questo articolo 15k accessi 38 citazioni 99 dettagli sulle metriche alternative La meta-ottica ha raggiunto importanti progressi negli ultimi dieci anni;

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Dettagli sulle metriche

La meta-ottica ha compiuto importanti passi avanti negli ultimi dieci anni; tuttavia, la progettazione avanzata convenzionale deve affrontare sfide legate all'aumento della complessità delle funzionalità e delle dimensioni del dispositivo. La progettazione inversa mira a ottimizzare la progettazione meta-ottica, ma è stata attualmente limitata da costosi risolutori numerici a forza bruta a piccoli dispositivi, che sono anche difficili da realizzare sperimentalmente. Qui, presentiamo un quadro generale di progettazione inversa per meta-ottica complessa aperiodica su larga scala (20k × 20k λ2) in tre dimensioni, che allevia i costi computazionali sia per la simulazione che per l'ottimizzazione tramite un risolutore approssimativo veloce e un metodo aggiunto, rispettivamente. La nostra struttura tiene conto naturalmente dei vincoli di fabbricazione tramite un modello surrogato. Negli esperimenti, dimostriamo metalli con correzione dell'aberrazione che lavorano nel visibile con un'elevata apertura numerica, messa a fuoco policromatica e un grande diametro fino alla scala centimetrica. Tale meta-ottica su larga scala apre un nuovo paradigma per le applicazioni e noi ne dimostriamo il potenziale per le future piattaforme di realtà virtuale utilizzando un meta-oculare e un display a cristalli liquidi micro-illuminato al laser.

La meta-ottica, una nuova classe di ottica planare, ha rimodellato l’ingegneria delle onde elettromagnetiche utilizzando componenti artificiali di lunghezza d’onda inferiore o “meta-atomi”1,2,3,4,5,6. Le recenti scoperte nel campo della fisica7,8,9,10,11 e i progressi nella fabbricazione di meta-ottica su larga scala12,13,14 ispirano una visione per un futuro in cui la meta-ottica sarà ampiamente utilizzata. Studi recenti hanno dimostrato tecnologie all'avanguardia basate su piattaforme meta-ottiche, come fotocamere per polarizzazione/campo luminoso/imaging di profondità15,16,17,18, OLED guidati da metasuperficie19, sistemi di realtà virtuale/aumentata20,21, spettrometri compatti22,23 ,24, ecc. Finora, la progettazione tradizionale della meta-ottica si basa principalmente su una metodologia "avanzata", in cui si ingegnerizza ogni singolo componente meta-atomo (come uno sfasatore) in modo indipendente, secondo un profilo di fase predefinito25 ,26. La progettazione avanzata ha dimostrato di avere successo nella realizzazione di semplici funzioni del dispositivo, come la curvatura dell'onda a lunghezza d'onda singola27,28,29 o la messa a fuoco;30,31 tuttavia, si basa fortemente su una conoscenza intuitiva a priori e limita lo sviluppo di meta-ottica complessa su larga scala che può realizzare molteplici funzioni personalizzate a seconda delle lunghezze d'onda, delle polarizzazioni, degli spin e degli angoli della luce incidente. Man mano che la complessità, il diametro o i vincoli di un problema di progettazione aumentano, la capacità di un metodo orientato al futuro di cercare una soluzione ottimale diventa sempre più debole. Il futuro progresso della meta-ottica richiede una svolta nella filosofia del design.

A differenza della progettazione in avanti, la progettazione inversa inizia con le funzioni desiderate e ottimizza le geometrie del progetto utilizzando algoritmi computazionali. È stato uno strumento utile per risolvere problemi ingegneristici complessi su larga scala come l'ottimizzazione della forma dei ponti o delle ali degli aerei. Negli ultimi anni, la progettazione inversa ha rimodellato il panorama dell’ingegneria fotonica. Sono state studiate molteplici tipologie di tecniche di progettazione inversa: tecniche di ottimizzazione topologica, che utilizzano uno strumento di ottimizzazione locale basato sul gradiente per cercare geometrie fotoniche ottimali32,33; e tecniche di apprendimento automatico34,35,36, che addestrano una rete neurale a trovare un progetto per una determinata risposta37 o addestrano una rete generativa (ad esempio, una rete generativa avversaria) per campionare progetti ad alte prestazioni38. Una recente evoluzione del design inverso in fotonica ottimizza la geometria e i parametri di post-elaborazione end-to-end39,40,41. La progettazione inversa ha dimostrato un successo significativo nell'ottimizzazione dei cristalli fotonici42, della nanofotonica su chip43,44, delle metasuperfici45,46 e di altri dispositivi.

La progettazione inversa rimane molto impegnativa per la meta-ottica aperiodica su larga scala. L'ottimizzazione si basa su molte iterazioni di simulazioni, che diventano computazionalmente intrattabili man mano che le dimensioni del progetto aumentano a causa della natura multiscala dei problemi di progettazione47: il meta-atomo su scala nanometrica (nm) e la meta-ottica su scala macro (100 s da µm a cm). Da un lato, non è realistico modellare un dispositivo 3D aperiodico con un diametro di 1 cm utilizzando il dominio temporale delle differenze finite (FDTD) o il metodo di analisi degli elementi finiti, che possono catturare la fisica su scala nanometrica ma sono limitati da entrambi i calcoli tempo e capacità di memoria. Ad esempio, sono necessarie circa 100 ore di tempo e circa 100 gigabyte di memoria RAM affinché un solutore FDTD possa simulare un dispositivo di metasuperficie di 50 µm2 di dimensione (assumendo una dimensione della mesh di 5 nm). D’altro canto, le simulazioni di ray-tracing, adatte alla progettazione ottica su larga scala, non sono in grado di catturare l’intera natura ondulatoria del campo ottico. Inoltre consentono solo profili di fase a variazione lenta, escludendo la ricca fisica dei fronti d'onda di fase a variazione rapida offerta dai metaatomi ingegnerizzati. A nostra conoscenza, il diametro delle metasuperfici completamente tridimensionali a progettazione inversa è stato limitato a circa 200λ48,49,50,51, circa 100 µm per la luce visibile. Inoltre, il nostro framework di progettazione inversa gestisce i vincoli di fabbricazione all’interno di un modello surrogato, in contrasto con la maggior parte dei framework di progettazione inversa, che necessitano di aggiungere questi vincoli durante l’ottimizzazione52.