متالنزهای چندلایه: گامی نوین در فناوری لنزهای سبک برای پهپاد و گوشی هوشمند

همکاری بین‌المللی و انتشار نتایج

این پروژه تحقیقاتی حاصل همکاری مشترک دانشگاه ملی استرالیا (ANU)، مرکز برتری سامانه‌های متا-اپتیکی تحول‌گرا (TMOS) و دانشگاه فردریش شیلر ینا در آلمان است. نتایج این پژوهش ارزشمند در نشریه معتبر Optics Express به چاپ رسیده است.

چالش‌های متالنزهای تک‌لایه

متالنزها، با ضخامتی کمتر از یک تار مو، به دلیل ظرافت و قابلیت‌های منحصربه‌فرد خود مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، تلاش برای متمرکز کردن چندین طول موج نور با استفاده از یک لایه متاسطح، با محدودیت‌های فیزیکی اساسی مواجه بود.

جاشوا جردان، نویسنده اصلی مقاله، توضیح می‌دهد: «حداکثر تأخیر گروهی قابل‌دستیابی در یک متاسطح تک‌لایه، محدودیت‌های بنیادی دارد که مانع از پوشش‌دهی همزمان قطر فیزیکی بزرگ، عدد دیافراگم بالا و پهنای باند عملیاتی گسترده می‌شود.»

به گفته او، برای دستیابی به بازه طول موج مورد نظر، یا باید قطر لنز بسیار کوچک می‌شد که کارایی طرح را از بین می‌برد، یا عدد دیافراگم به‌شدت پایین می‌آمد و عملاً تمرکزی روی نور صورت نمی‌گرفت. همین محدودیت‌ها تیم تحقیقاتی را به سمت طراحی چندلایه سوق داد.

پیشرفت با طراحی چندلایه و الگوریتم وارون

پژوهشگران با اتخاذ رویکردی چندلایه و بهره‌گیری از الگوریتم طراحی وارون مبتنی بر بهینه‌سازی شکل، موفق به ایجاد ساختارهایی شدند که در آن‌ها رزونانس‌های همزمان الکتریکی و مغناطیسی، موسوم به رزونانس‌های هوگنس، پدید می‌آید.

• این راهکار باعث شد تا متالنزها نسبت به قطبش نور بی‌تفاوت باشند.
• تحمل‌پذیری بیشتری نسبت به خطاهای فرآیند ساخت از خود نشان دهند.

این ویژگی‌ها برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ، حیاتی و ضروری هستند.

الگوریتم بهینه‌سازی، مجموعه‌ای از عناصر متامتریالی با اشکال غیرمنتظره مانند مربع‌های گرد، شبدر چهاربرگ و پروانه‌ای ایجاد کرد. این ساختارهای نانومتری، با ارتفاع حدود ۳۰۰ نانومتر و عرض ۱۰۰۰ نانومتر، قادرند تغییر فاز کامل از صفر تا ۲π را پوشش دهند و امکان طراحی هر الگوی کانونی دلخواه را فراهم کنند.

کاربردها و محدودیت‌های فعلی

جردان تأکید می‌کند که این فناوری می‌تواند به عنوان مسیریاب رنگ نیز به‌کار گرفته شود و طول‌موج‌های مختلف را در مکان‌های متفاوت متمرکز کند. با این حال، این روش فعلاً به تمرکز حداکثر پنج طول‌موج محدود است؛ زیرا برای طول‌موج‌های بلندتر نیاز به ساختارهای بزرگ‌تر وجود دارد که ممکن است دچار پراش در طول‌موج‌های کوتاه‌تر شوند.

آینده تصویربرداری پرتابل

به گفته این محقق، طراحی متالنزهای جدید به‌ویژه برای سامانه‌های تصویربرداری پرتابل ارزشمند است:

«متالنزهایی که ساخته‌ایم به دلیل ابعاد کوچک و وزن سبک، برای پهپادها و ماهواره‌های مشاهده زمین ایده‌آل هستند. این لنزها می‌توانند نور بیشتری جمع‌آوری کنند و کیفیت تصویربرداری را در دستگاه‌های سبک ارتقا دهند.»

این دستاورد گامی مهم به سوی ادغام متالنزهای چندرنگ در نسل آینده فناوری‌های اپتیکی کاربردی، از گوشی‌های هوشمند گرفته تا سامانه‌های فضایی، محسوب می‌شود.