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Jun 15, 2023

역설계로 대형화 가능

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2409(2022) 이 기사 인용 15k 액세스 38회 인용 99회 Altmetric Metrics 세부 정보 Meta-optics는 지난 10년 동안 큰 발전을 이루었습니다.

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2409(2022) 이 기사 인용

15,000회 액세스

38 인용

99 알트메트릭

측정항목 세부정보

Meta-optics는 지난 10년 동안 획기적인 발전을 이루었습니다. 그러나 기존의 포워드 디자인은 기능의 복잡성과 장치 크기의 확장으로 인해 문제에 직면해 있습니다. 역설계는 메타광학 설계를 최적화하는 것을 목표로 하지만 현재 값비싼 무차별 수치해석기 때문에 실험적으로 구현하기 어려운 소형 장치로 제한되어 있습니다. 여기에서는 3차원의 비주기적 대규모(20k × 20k λ2) 복합 메타 광학에 대한 일반적인 역설계 프레임워크를 제시합니다. 이는 각각 빠른 근사 솔버와 adjoint 방법을 통해 시뮬레이션과 최적화 모두에 대한 계산 비용을 완화합니다. 우리 프레임워크는 대리 모델을 통해 자연스럽게 제작 제약 조건을 설명합니다. 실험에서 우리는 높은 개구수, 다색 포커싱 및 최대 센티미터 규모의 큰 직경을 사용하여 가시광선에서 작동하는 수차 보정 금속 렌즈를 보여줍니다. 이러한 대규모 메타 광학은 응용 분야의 새로운 패러다임을 열고 메타 접안 렌즈와 레이저 후면 조명 마이크로 액정 디스플레이를 사용하여 미래 가상 현실 플랫폼에 대한 잠재력을 보여줍니다.

평면 광학의 새로운 종류인 메타 광학은 인공 서브파장 구성 요소 또는 "메타 원자"1,2,3,4,5,6를 사용하여 전자기파 공학을 재구성했습니다. 물리학의 최근 혁신7,8,9,10,11과 대규모 메타 광학 제조의 발전12,13,14은 메타 광학이 널리 사용될 미래에 대한 비전을 불러일으킵니다. 최근 연구에서는 편광/명시야/깊이 이미징 카메라15,16,17,18, 메타표면 기반 OLED19, 가상/증강 현실 시스템20,21, 소형 분광계22,23와 같은 메타광학 플랫폼을 기반으로 한 최첨단 기술을 입증했습니다. , 24 등. 지금까지 메타 광학의 주류 설계는 대부분 미리 정의된 위상 프로파일에 따라 각 개별 메타 원자 구성 요소(위상 변환기로서)를 독립적으로 엔지니어링하는 "순방향" 방법론을 기반으로 합니다. ,26. 전방 설계는 단일 파장 파장 굽힘27,28,29 또는 초점 맞추기와 같은 간단한 장치 기능을 실현하는 데 성공을 거두었지만 선험적 직관적 지식에 크게 의존하고 대규모 복합 메타 광학의 개발을 제한합니다. 파장, 편광, 스핀, 입사광의 각도에 따라 다양한 맞춤형 기능을 구현할 수 있습니다. 설계 문제의 복잡성, 범위 또는 제약이 커짐에 따라 최적의 솔루션을 검색하는 전향적 방법의 능력은 점점 약해집니다. 메타광학의 미래 발전은 디자인 철학의 획기적인 발전을 요구합니다.

순방향 설계와 달리 역방향 설계는 원하는 기능으로 시작하고 계산 알고리즘을 사용하여 설계 형상을 최적화합니다. 교량이나 항공기 날개의 형상 최적화와 같은 대규모의 복잡한 엔지니어링 문제를 해결하는 데 유용한 도구였습니다. 최근 몇 년 동안 역설계는 포토닉스 공학의 지형을 바꾸고 있습니다. 다양한 역설계 기술이 연구되었습니다: 최적의 광자 기하학을 검색하기 위해 로컬 그래디언트 기반 최적화 도구를 사용하는 토폴로지 최적화 기술; 그리고 주어진 응답에 대한 설계를 찾기 위해 신경망을 훈련시키거나 고성능 설계를 샘플링하기 위해 생성 네트워크(예: 생성적 적대 신경망)를 훈련시키는 기계 학습 기술34,35,36이 있습니다. 포토닉스 분야의 역설계의 최근 발전은 형상과 후처리 매개변수를 엔드투엔드39,40,41 최적화합니다. 역설계는 광결정42, 온칩 나노포토닉스43,44, 메타표면45,46 및 기타 장치를 최적화하는 데 상당한 성공을 거두었습니다.

비주기적인 대규모 메타 광학에 대한 역 설계는 여전히 매우 어렵습니다. 최적화는 설계 문제의 다중 규모 특성으로 인해 설계 차원이 확장됨에 따라 계산이 어려워지는 시뮬레이션의 여러 반복에 의존합니다47: 나노 규모 메타 원자(nm) 및 거시 규모 메타 광학(100μm ~ cm). 한편, 유한 차분 시간 영역(FDTD) 또는 유한 요소 분석 방법을 사용하여 직경 1cm의 비주기적 3D 장치를 모델링하는 것은 비현실적입니다. 이는 나노 규모에서 물리학을 포착할 수 있지만 두 가지 계산에 의해 제한됩니다. 시간과 기억력. 예를 들어, FDTD 솔버가 크기가 50μm2인 메타표면 장치를 시뮬레이션하는 데는 시간이 ~100시간, RAM 메모리가 ~100기가바이트가 소요됩니다(메시 크기가 5nm라고 가정). 반면, 대규모 광학 설계에 적합한 광선 추적 시뮬레이션은 광학장의 전체 파동 특성을 포착할 수 없습니다. 또한 엔지니어링된 메타 원자가 제공하는 빠르게 변화하는 위상 파면의 풍부한 물리학을 제외하고 천천히 변화하는 위상 프로파일만 허용합니다. 우리가 아는 한, 역설계된 완전 3차원 메타표면의 직경은 가시광선의 경우 약 100μm인 약 200λ48,49,50,51로 제한되었습니다. 또한, 우리의 역설계 프레임워크는 최적화 중에 이러한 제약 조건을 추가해야 하는 대부분의 역설계 프레임워크와 달리 대리 모델 내부의 제작 제약 조건을 처리합니다52.