Noticias

Jun 15, 2023

El diseño inverso permite grandes

Nature Communications volumen 13, número de artículo: 2409 (2022) Cita este artículo 15k Accesos 38 Citas 99 Detalles de Altmetric Metrics La metaóptica ha logrado importantes avances en la última década;

Nature Communications volumen 13, número de artículo: 2409 (2022) Citar este artículo

15k Accesos

38 citas

99 altmétrico

Detalles de métricas

La metaóptica ha logrado importantes avances en la última década; sin embargo, el diseño avanzado convencional enfrenta desafíos a medida que aumentan la complejidad de la funcionalidad y el tamaño del dispositivo. El diseño inverso tiene como objetivo optimizar el diseño metaóptico, pero actualmente se ha visto limitado por costosos solucionadores numéricos de fuerza bruta a dispositivos pequeños, que también son difíciles de realizar experimentalmente. Aquí, presentamos un marco general de diseño inverso para metaópticas complejas aperiódicas a gran escala (20k × 20k λ2) en tres dimensiones, que alivia el costo computacional tanto para la simulación como para la optimización a través de un solucionador aproximado rápido y un método adjunto, respectivamente. Nuestro marco, naturalmente, tiene en cuenta las limitaciones de fabricación a través de un modelo sustituto. En experimentos, demostramos metalentes con corrección de aberraciones que funcionan en el visible con alta apertura numérica, enfoque policromático y gran diámetro hasta la escala de centímetros. Esta metaóptica a gran escala abre un nuevo paradigma para las aplicaciones, y demostramos su potencial para futuras plataformas de realidad virtual mediante el uso de un metaocular y una pantalla de cristal líquido microiluminada con láser.

La metaóptica, una nueva clase de óptica plana, ha remodelado la ingeniería de ondas electromagnéticas mediante el uso de componentes artificiales de sublongitud de onda o “metaátomos”1,2,3,4,5,6. Los recientes avances en física7,8,9,10,11 y los avances en la fabricación de metaóptica a gran escala12,13,14 inspiran una visión de un futuro en el que la metaóptica se utilizará ampliamente. Estudios recientes han demostrado tecnologías de vanguardia basadas en plataformas metaópticas, como cámaras de polarización/campo de luz/imágenes de profundidad15,16,17,18, OLED impulsados ​​por metasuperficies19, sistemas de realidad virtual/aumentada20,21, espectrómetros compactos22,23. ,24, etc. Hasta ahora, el diseño principal de la metaóptica se basa principalmente en una metodología "adelante", en la que se diseña cada componente metaatómico individual (como un desfasador) de forma independiente, de acuerdo con un perfil de fase predefinido25 ,26. El diseño avanzado ha demostrado tener éxito en la realización de funciones simples del dispositivo, como la flexión de onda de una sola longitud de onda27,28,29 o el enfoque;30,31 sin embargo, depende en gran medida del conocimiento intuitivo a priori y limita el desarrollo de metaópticas complejas a gran escala que Puede realizar múltiples funciones personalizadas dependiendo de las longitudes de onda, polarizaciones, giros y ángulos de luz incidente. A medida que la complejidad, el diámetro o las limitaciones de un problema de diseño aumentan, la capacidad de un método impulsado por el avance para buscar una solución óptima se vuelve cada vez más débil. El futuro avance de la metaóptica exige un gran avance en la filosofía del diseño.

A diferencia del diseño directo, el diseño inverso comienza con las funciones deseadas y optimiza las geometrías de diseño mediante algoritmos computacionales. Ha sido una herramienta útil para resolver problemas de ingeniería complejos a gran escala, como la optimización de la forma de puentes o alas de aviones. En los últimos años, el diseño inverso ha estado remodelando el panorama de la ingeniería fotónica. Se han estudiado múltiples tipos de técnicas de diseño inverso: técnicas de optimización topológica, que utilizan una herramienta de optimización local basada en gradientes para buscar geometrías fotónicas óptimas32,33; y técnicas de aprendizaje automático34,35,36, que entrenan una red neuronal para encontrar un diseño para una respuesta determinada37 o entrenan una red generativa (p. ej., red generativa adversaria) para muestrear los diseños de alto rendimiento38. Una evolución reciente del diseño inverso en fotónica optimiza la geometría y los parámetros de posprocesamiento de un extremo a otro39,40,41. El diseño inverso ha demostrado un éxito significativo en la optimización de cristales fotónicos42, nanofotónica en chips43,44, metasuperficies45,46 y otros dispositivos.

El diseño inverso sigue siendo un gran desafío para la metaóptica aperiódica a gran escala. La optimización se basa en muchas iteraciones de simulaciones, que se vuelven computacionalmente intratables a medida que la dimensión del diseño aumenta debido a la naturaleza multiescala de los problemas de diseño47: el metaátomo a nanoescala (nm) y la metaóptica a macroescala (100 s de µm a cm). Por un lado, no es realista modelar un dispositivo 3D aperiódico con un diámetro de 1 cm utilizando el dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD) o el método de análisis de elementos finitos, que pueden capturar la física a nanoescala pero están limitados por ambos cálculos. tiempo y capacidad de memoria. Por ejemplo, se necesitan ~100 h de tiempo y ~100 gigabytes de memoria RAM para que un solucionador FDTD simule un dispositivo de metasuperficie de 50 µm2 de tamaño (suponiendo un tamaño de malla de 5 nm). Por otro lado, las simulaciones de trazado de rayos, que son adecuadas para el diseño óptico a gran escala, no pueden capturar la naturaleza de onda completa del campo óptico. También solo permiten perfiles de fase que varían lentamente, excluyendo la rica física de frentes de onda de fase que varían rápidamente que ofrecen los metaátomos diseñados. Hasta donde sabemos, el diámetro de las metasuperficies completamente tridimensionales de diseño inverso se ha limitado a aproximadamente 200λ48,49,50,51, aproximadamente 100 µm para la luz visible. Además, nuestro marco de diseño inverso maneja restricciones de fabricación dentro de un modelo sustituto, en contraste con la mayoría de los marcos de diseño inverso, que necesitan agregar estas restricciones durante la optimización52.

En este artículo, presentamos un marco genérico de diseño inverso que permite una metaóptica tridimensional aperiódica de funciones complejas a gran escala compatible con restricciones de fabricación. Nuestro método de diseño inverso es computacionalmente manejable (requiere solo unas pocas horas usando una CPU de escritorio de un solo núcleo) y ventajoso para el diseño de metaóptica a macroescala (>1000 s de λs) junto con la explotación de la física a nanoescala. Amplía enormemente el diseño óptico a un régimen sin precedentes en el que el diseño avanzado convencional tiene un uso limitado. El marco de diseño actual maneja simulaciones tridimensionales con seis órdenes de magnitud más parámetros que el trabajo bidimensional de prueba de concepto53. Controla la polarización total a diferencia de la ref. 21, que se limita fundamentalmente a la luz convertida por polarización desde el estado de polarización circular izquierda (LCP) al estado de polarización circular derecha (RCP). Estas características únicas de diseño inverso permiten la demostración experimental de metaóptica con alta apertura numérica (NA = 0,7) y funcionalidad compleja. Por ejemplo, mostramos metalentes acromáticos RGB insensibles a la polarización e incluso metalentes policromáticos. Esta metaóptica de diseño inverso logra un tamaño de apertura en una escala de mm a cm, lo que corresponde a un aumento de cuatro órdenes de magnitud en el área en comparación con el estado de la técnica. Para demostrar el potencial de la metaóptica a gran escala en aplicaciones, demostramos además una plataforma de realidad virtual (VR) basada en metaóptica.

Fundamentalmente diferente del diseño directo convencional, la filosofía del diseño inverso es comenzar con el objetivo y luego optimizarlo dadas las limitaciones de la aplicación. Para el diseño de lentes, el objetivo es maximizar la intensidad en el punto focal; es decir, maximizamos \(\,I({\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}}_{{{{{{\bf{target}}}}}}} {{{{{\boldsymbol{,}}}}}}\,\vec{{{{{{\bf{p}}}}}}})\) sobre un vector \(\vec{{{{ {{\bf{p}}}}}}}\) de parámetros geométricos que definen la metasuperficie, donde \({\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}}_{{{ {{{\bf{target}}}}}}}\) es la ubicación del punto focal53. Para el diseño de lentes policromáticas, la función objetivo encuentra una geometría localmente óptima satisfactoria que maximiza la intensidad mínima en las longitudes de onda del diseño: \({\max }(\mathop{{{\min }}}\nolimits_{\lambda \in {\ lambda }_{s}}({I}_{\lambda }({\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}}_{{{{{{\bf{objetivo} }}}}}},\vec{{{{{\bf{p}}}}}})))\), donde λs es un conjunto discreto de longitudes de onda de interés e Iλ es la función de intensidad para una longitud de onda λ53. Esto maximiza la intensidad focal en múltiples longitudes de onda simultáneamente. Reformulamos aún más esta función para que sea diferenciable como se muestra en el SI.

La evaluación rápida y precisa del rendimiento de la metaóptica es clave para el diseño inverso a gran escala. Introducimos un solucionador aproximado rápido tridimensional (3D) que se basa en la convolución de campos locales y la función de Green (Fig. 1a). Los campos locales precisos sobre un conjunto de metaátomos de entrenamiento se calculan de antemano mediante un riguroso análisis de ondas acopladas (RCWA). Luego se construye un modelo sustituto, que se basa en la interpolación de Chebyshev54, para predecir rápidamente el campo local de un metaátomo arbitrario con parámetros fabricables (SI). Nuestro modelo sustituto es seis órdenes de magnitud más rápido que una simulación directa utilizando RCWA (SI). También utiliza la regresión de Chebyshev (suavizado de mínimos cuadrados) para evitar oscilaciones artificiales (SI)54. Por el principio de equivalencia, convertimos los campos locales en fuentes “artificiales” de densidad de corriente magnética \({\vec{{{{{{\bf{S}}}}}}}}_{{{{{{\ bf{local}}}}}}}\left(\vec{{{{{\bf{x}}}}}}}{{{{{\boldsymbol{,}}}}}}\,\ vec{{{{{\bf{p}}}}}}}\right)\), y la intensidad focal se calcula usando una convolución entre las fuentes actuales y la función vectorial de Green (Ec. (1))53 :

donde \(\vec{{{{{{\bf{E}}}}}}}\big({\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}}_{{{ {{{\bf{target}}}}}}}\big)\) es el campo eléctrico en el punto focal, ⊙ representa el producto de Hadamard y \(\mathop{{{{{{\bf{G} }}}}}}\limits^{\leftrightarrow}\big(\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}{{{{{\boldsymbol{,}}}}}} \,{\vec{{{{{\bf{x}}}}}}}_{{{{{{\bf{target}}}}}}}\big)\) es la diádica del Verde función desde una posición local \(\vec{{{{{\bf{x}}}}}}}\) a una posición objetivo \({\vec{{{{{{\bf{x}}} }}}}}_{{{{{\bf{objetivo}}}}}}}\). Tenga en cuenta que la función de Green solo necesita calcularse una vez y puede reutilizarse en iteraciones de optimización posteriores. Es analítico en espacio libre y no requiere aproximación paraxial. Aquí utilizamos una aproximación periódica local (LPA) para predecir los campos locales, asumiendo que los metaátomos vecinos son similares53,55. LPA se valida para nuestro diseño mediante la concordancia de los resultados experimentales y previstos; esto se espera en el régimen de NA moderado, donde los metaátomos varían lentamente en la mayor parte de la superficie (se analiza con más detalle en el SI). Para acelerar aún más nuestro simulador, imponemos simetría cilíndrica en los parámetros de diseño manteniendo el mosaico de los metaátomos en coordenadas cartesianas (ver SI). Sin embargo, a diferencia de los diseños totalmente simétricos en el eje51, en una escala inferior a la longitud de onda, nuestros metaátomos rompen la simetría cilíndrica.

un simulador directo mediante un solucionador aproximado rápido, que evalúa la intensidad del campo en el objetivo mediante una convolución de la corriente equivalente con la función de Green adecuada. b Método adjunto que calcula el gradiente con respecto a todos los parámetros de diseño de la metasuperficie al costo de una única simulación con una fuente inversa personalizada. Aquí, Li y Wi denotan la longitud y la anchura del iésimo metaátomo; c Conversión de polarización por metaátomos como lo describe la matriz de Jones. Es un método de optimización basado en gradientes, que actualiza el diseño de la metasuperficie mediante iteraciones.

La optimización en un espacio de diseño de alta dimensión, cuando \(\vec{{{{{\bf{p}}}}}}}\) es de dimensión » 1000, es otro desafío para el diseño inverso. Aquí utilizamos un método de optimización local basado en gradientes, llamado “aproximación separable convexa conservadora”56, para buscar un diseño óptimo que consta de 106 a 109 grados de libertad. También aplicamos un enfoque de inicio múltiple mediante la exploración de múltiples parámetros de diseño iniciales aleatorios57. En nuestro caso, no es posible un diseño inicial utilizando el método de coincidencia de fases ya que la apertura de las lentes metálicas es tan grande (hasta 20k λ de diámetro) que el retardo de grupo requerido11 para satisfacer simultáneamente los perfiles de fase de múltiples longitudes de onda es de tres órdenes. de magnitud mayor que la que puede proporcionar un metaátomo de una sola capa. Para un cálculo rápido de los gradientes \({\nabla }_{{{{{\bf{p}}}}}}}I\big({\vec{{{{{{\bf{x}}} }}}}}_{{{{{{\bf{target}}}}}}}\big)\), aprovechamos un método adjunto58, que puede evaluar los gradientes de todos los parámetros simultáneamente usando solo dos simulaciones (Ecuación (2)). En comparación, un método tradicional de fuerza bruta necesita (N + 1) simulaciones, donde N es la dimensión de \(\vec{{{{{\bf{p}}}}}}}\). El método adjunto se ilustra en la Fig. 1b (detalles en el SI):

donde ℜ denota la parte real, \(\mathop{{{{{\bf{G}}}}}}}\limits^{\leftrightarrow}\big(\vec{{{{{{\bf{x }}}}}}}{{{{{\boldsymbol{,}}}}}}\,{\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}}_{{{{ {{\bf{target}}}}}}}\big)\) es la función diádica de Green desde una posición objetivo \({\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}} _{{{{{{\bf{target}}}}}}}\) a una posición local \(\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}\), y \ ({{\nabla }_{{{{{\bf{p}}}}}}}\vec{{{{{{\bf{S}}}}}}}}_{{{{{ {\bf{local}}}}}}}\left(\vec{{{{{\bf{x}}}}}}}{{{{{\boldsymbol{,}}}}}}\ vec{{{{{{\bf{p}}}}}}}\right)\) es el gradiente de la fuente de corriente local con respecto al parámetro de diseño \(\vec{{{{{{\bf{ p}}}}}}}\), que también se puede evaluar rápidamente mediante el uso de un modelo sustituto previamente entrenado a bajo costo. Significa el gradiente \({\nabla }_{{{{{{\bf{p}}}}}}}I\big({\vec{{{{{{\bf{x}}}}} }}}_{{{{{\bf{target}}}}}}}\big)\) se puede obtener eficientemente en todas partes a la vez en una simulación hacia atrás utilizando una fuente equivalente \(\big({\vec{ {{{{{\bf{E}}}}}}}{\big({\vec{{{{{{\bf{x}}}}}}}}_{{{{{{\bf {objetivo}}}}}}}\big)}^{{{{{{\boldsymbol{* }}}}}}}{\nabla }_{{{{{{\bf{p}}}} }}}\vec{{{{{\bf{S}}}}}}}}_{{{{{{\bf{local}}}}}}}\left(\vec{{{{ {{\bf{x}}}}}}}{{{{{\boldsymbol{,}}}}}}\vec{{{{{{\bf{p}}}}}}}\right) \grande)\). Luego, la información del gradiente se introdujo en el optimizador para la actualización del metadiseño (Fig. 1d). Todo el flujo de diseño se resume en la Fig. 2. Comenzamos a partir de un metadiseño aleatorio y pasamos por iteraciones de ciclos de optimización, confiando en un simulador directo y un simulador adjunto, hasta que el rendimiento del dispositivo convergió y cumplió con los criterios de diseño. Luego evaluamos el diseño final en simulaciones y luego en experimentos.

Con conocimiento previo de la biblioteca de metaátomos y el problema de optimización, comenzamos con un diseño de metasuperficie aleatorio y luego actualizamos el diseño a través de bucles de optimización que consisten en un simulador directo y un motor de optimización basado en adjuntos. Una vez que se cumple el criterio, finalizamos el ciclo de diseño y validamos el diseño en simulación. Nota: CCSA es la abreviatura de aproximación separable convexa conservadora.

Diseñar un enfoque en múltiples longitudes de onda y en diferentes estados de polarización simultáneamente es un desafío, especialmente en el caso de una NA alta. Al aplicar el método de diseño inverso, primero demostramos una metalente acromática RGB insensible a la polarización. Esta lente metálica tiene un diámetro de 2 mm y una apertura numérica (NA) de 0,7. La Figura 3a es una imagen de microscopio óptico del dispositivo fabricado mediante litografía por haz de electrones (EBL) y deposición de capas atómicas59. La imagen del microscopio electrónico de barrido insertada muestra estructuras anisotrópicas de nanoaletas de TiO2 con geometrías de diseño inverso que varían espacialmente sobre un sustrato de sílice fundida. La altura de las nanoaletas es de 600 nm y la periodicidad de la red cuadrada es de 400 nm. Cada nanoaleta tiene una forma rectangular cuyos tamaños están determinados por optimización y está alineada paralela a los ejes de la celda unitaria. Convierte parcialmente la luz LCP en luz RCP y viceversa (Fig. 1c). La conversión de polarización de L (|σ−〉) a R (|σ+〉) y R a L es igual por simetría en nuestro caso, como lo describe la matriz de Jones (Ec. (3)):

Donde \({\widetilde{{{{{\bf{t}}}}}}}}_{{{{{\bf{L}}}}}}}\) y \({\widetilde {{{{{{\bf{t}}}}}}}}_{{{{{\bf{s}}}}}}}\) son transmisiones complejas a lo largo del eje largo y corto, respectivamente, α es el ángulo de rotación de la nanoaleta, "fuera" significa campo de salida y "dentro" significa campo de entrada. Debido a esta simetría y al hecho de que cualquier estado de polarización puede escribirse como superposición de campos LCP y RCP, nuestro diseño de lentes metálicas puede enfocar la luz igualmente bien para cualquier estado de polarización arbitrario59,60. La Figura 3b muestra los resultados de la simulación para la distribución de intensidad focal a lo largo del eje óptico en las longitudes de onda RGB de diseño de 488, 532 y 658 nm. Estas longitudes de onda se eligen para que correspondan a nuestros diodos láser de longitud de onda única. El recuadro es la vista ampliada de los picos focales, que muestra un enfoque acromático con cambios focales insignificantes (<50 nm). La Figura 3c es la distribución de intensidad focal medida en las longitudes de onda RGB en el plano XZ, donde X está a lo largo de la dirección radial de la lente y Z está a lo largo del eje óptico. El desplazamiento focal máximo es de ~1,5 µm, que es ~0,15% de la distancia focal. La Figura 3d, de arriba a abajo, es la distribución de intensidad medida en los planos focales de las longitudes de onda azul, verde y roja, respectivamente. Sus respectivos perfiles de intensidad focal medidos (Fig. 3e) implican un enfoque limitado por difracción (el análisis detallado se puede encontrar en el SI). Medimos la eficiencia de enfoque absoluta, que se define como la relación entre la potencia en los puntos focales y la potencia incidente, en función de los ángulos de polarización de incidencia. La Figura 3f muestra que la eficiencia absoluta es aproximadamente del 15% en longitudes de onda RGB y es independiente del ángulo de polarización de la luz incidente. Además, nuestras lentes metálicas enfocan la luz de un estado de polarización arbitrario a su estado ortogonal, lo que es útil para mejorar el contraste de la imagen. Además, caracterizamos el rendimiento de imágenes de las lentes metálicas utilizando el objetivo de resolución de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF). La Figura 3g-i es el resultado de la imagen del elemento No. 5 y No. 6 del grupo No. 7 bajo iluminación azul, verde y roja. El tamaño de característica más pequeño es de 2,2 µm y se puede resolver claramente. Para demostrar imágenes acromáticas, tomamos imágenes de la misma área utilizando iluminación de luz blanca sintetizada mezclando color RGB en la luz incidente. El resultado es una imagen blanquecina clara con el mismo aumento (Fig. 3j). Se pueden encontrar más resultados de imágenes bajo otra iluminación de luz sintetizada en SI.

a Imagen de microscopio óptico del dispositivo fabricado. La barra de escala es de 100 µm. El recuadro es la imagen SEM que corresponde a la región dentro del cuadro punteado blanco. La barra de escala es de 1 µm. b Simulaciones de la intensidad focal normalizada a lo largo del eje óptico (Z) en las tres longitudes de onda RGB de diseño. El recuadro muestra la vista ampliada de los picos de intensidad. c Distribución de intensidad focal medida en el plano XZ. d Distribución de intensidad del plano focal medida en λ = 488, 532 y 658 nm (de arriba a abajo, respectivamente). e Perfil de intensidad focal medido de puntos focales RGB. Los valores máximos están normalizados según las funciones de Airy (SI). f Eficiencia de enfoque medida en función del ángulo de polarización de la luz incidente, que muestra un enfoque insensible a la polarización. g – i Resultados de imágenes del elemento n.° 5 y n.° 6 del grupo n.° 7 del objetivo de resolución de la USAF en λ = 488, 532 y 658 nm, respectivamente. La barra de escala es de 10 µm a menos que se indique lo contrario. j Resultado de la imagen bajo iluminación de luz blanca sintetizada utilizando luz RGB.

El método de diseño inverso tiene ventajas más pronunciadas sobre los métodos de diseño directo convencionales cuando se diseña una metaóptica con funciones más complicadas. Los métodos de diseño directo, como la coincidencia de fases del frente de onda, luchan en el régimen en el que ningún metaátomo puede satisfacer simultáneamente los perfiles de fase específicos para múltiples funciones. No pueden equilibrar sistemáticamente los compromisos entre metaátomos porque optimizan cada metaátomo por separado. Una buena coincidencia de fases intentará reducir los errores generales de fase, a riesgo de omitir una de las funciones e ignorar las conversaciones cruzadas entre funciones. También ignoran el efecto de un perfil de amplitud o fase no uniforme. Una buena coincidencia de fases a veces tiene el costo de una baja eficiencia debido a la correlación intrínseca entre la fase y la amplitud de la onda electromagnética diseñada por los metaátomos. Además, los diseños directos suelen ser unidireccionales sin bucles de retroalimentación y, por lo tanto, no proporcionan confirmación de optimización o robustez. Es importante destacar que los diseños avanzados requieren un conocimiento a priori de la solución de onda deseada, que no está disponible para problemas complejos. En comparación, nuestro método de diseño inverso puede obtener soluciones previamente desconocidas para problemas de diseño complejos porque comienza solo con el objetivo de diseño y busca iterativamente una solución óptima en un espacio de diseño hiperdimensional. También evalúa las funciones objetivo directamente frente a los parámetros de diseño y equilibra automáticamente los perfiles de amplitud/fase no uniformes en toda la metasuperficie para optimizar las funciones objetivo complejas y las conversaciones cruzadas.

Para probar el concepto, demostramos además un metalente policromático experimental con un rendimiento de enfoque acromático de seis longitudes de onda para luz visible. Estos dos metalenses tienen un diámetro de apertura de 2 mm y NA de 0,3 y 0,7. La Figura 4a es la imagen SEM de NA = 0,3 metalens. Esta lente metálica está diseñada para enfoque acromático en seis longitudes de onda de 490, 520, 540, 570, 610 y 650 nm. La Figura 4b es el resultado de la simulación que muestra su distribución de intensidad focal a lo largo del eje óptico. La intensidad de enfoque medida (Fig. 4c) en el plano XZ muestra una buena concordancia con los resultados de la simulación. El desplazamiento focal máximo entre las longitudes de onda de diseño es de 500 nm (<0,02% de la longitud focal). La eficiencia de enfoque medida es ~8% y los resultados de las imágenes se muestran en el SI. Los resultados de simulación y medición de NA = 0,7 metalens también se muestran en el SI. La Figura 4d muestra los medios máximos de ancho completo medidos de los puntos focales en comparación con la teoría de la función de Airy ideal. Las diferencias sutiles se deben a que utilizamos un láser supercontinuo como fuente de luz, que tiene un ancho de línea mayor (FMHW) de ~5 nm en comparación con un ancho de línea de ~0,5 nm de los diodos láser (SI). La Figura 4e-j es la distribución de intensidad focal medida en un plano focal común de seis longitudes de onda de diseño. Los resultados de la medición de NA = 0,7 metalentes se muestran en el SI.

una imagen SEM de las lentes metálicas fabricadas con NA = 0,3. La barra de escala es de 10 µm. El recuadro es una vista inclinada ampliada. La barra de escala es de 400 nm. b Simulaciones de distribución de intensidad focal normalizada a lo largo del eje óptico en seis longitudes de onda de diseño (NA = 0,3). c Distribución de intensidad focal medida en el plano XZ en seis longitudes de onda (NA = 0,3). d Se midieron los medios máximos de ancho completo (FWHM) de los puntos focales en seis longitudes de onda de diseño en comparación con el perfil de función ideal de Airy (NA = 0,3 y 0,7). e – j Distribución de intensidad del plano focal medida en las longitudes de onda de diseño (NA = 0,3).

Para demostrar aún más la escalabilidad de nuestro método de diseño inverso, diseñamos y fabricamos una lente metálica a escala de cm. Esta lente metálica está diseñada para enfoque acromático en longitudes de onda RGB con una NA de 0,3. La Figura 5a muestra la metaóptica plana acromática RGB de 1 cm de diámetro en una oblea de sílice fundida de 2 pulgadas con una regla de referencia detrás. El recuadro es la imagen SEM que muestra los bloques de construcción de los metaátomos. Utilizamos un escritor de haz electrónico rápido y operamos a una corriente alta. En consecuencia, logramos una resolución estructural de 10 nm a un bajo costo en tiempo de fabricación. La Figura 5b es el resultado de la simulación que muestra la distribución de la intensidad focal a lo largo del eje óptico en longitudes de onda de diseño, y el recuadro es la vista ampliada de los picos para mostrar su rendimiento de enfoque acromático. La distribución de intensidad focal medida en el plano XZ se muestra en la Fig. 5c. El desplazamiento focal máximo entre las longitudes de onda RGB es de ~4,5 µm, que es ~0,03% de la longitud focal de diseño. La Figura 5d-f muestra la distribución de intensidad focal medida en los planos focales de λ = 488 nm, 532 nm y 658 nm. La eficiencia de enfoque medida en RGB es de alrededor del 15% y las simulaciones de diseño muestran ~24% (SI). La diferencia se puede atribuir a errores de fabricación. Por ejemplo, los errores de unión entre campos de escritura dan como resultado una eficiencia de enfoque reducida. Discutimos este resultado y las estrategias para seguir mejorando en la sección final. La ligera distorsión de los puntos focales se debe a la iluminación incidente no uniforme sobre la apertura de la lente en escala de cm, que no se anticipó durante el diseño. Además, caracterizamos los metalens al obtener imágenes de todo el grupo No. 7 de los objetivos de resolución de la USAF. La Figura 5g-i es el resultado de la imagen bajo iluminación de luz incidente azul, verde y roja, respectivamente, que muestra un excelente rendimiento de la imagen.

a Fotografía de las lentes metálicas fabricadas de 1 cm de diámetro. La barra de escala es de 1 cm. El recuadro es la imagen SEM de las nanoestructuras utilizadas en las metalentes. La barra de escala es de 500 nm. b Simulaciones de distribución de intensidad focal a lo largo del eje óptico en longitudes de onda de diseño RGB. El recuadro es la vista ampliada de los picos. c Distribución de intensidad focal medida en el plano XZ en longitudes de onda RGB. d – f Distribución de intensidad focal normalizada medida en los planos focales de λ = 488, 532 y 658 nm, respectivamente. g – i Resultados de imágenes del grupo n.° 7 del objetivo de resolución de la USAF bajo iluminación de luz azul, verde y roja. Las barras de escala son de 30 µm.

Además, comparamos los diseños directos con nuestro diseño inverso utilizando lentes metálicas insensibles a la polarización acromática RGB de 1 cm de diámetro como punto de referencia, y los resultados de la simulación se resumen en SI. Los resultados del diseño directo varían con las definiciones de funciones objetivo que cuantifican las condiciones de coincidencia de fases. Las eficiencias de enfoque correspondientes no sólo son menores sino que tampoco son uniformes en longitudes de onda RGB. Revela las limitaciones del diseño directo cuando se aplica a un problema de diseño que involucra múltiples objetivos y está sujeto a múltiples restricciones. En comparación, los resultados del diseño inverso muestran eficiencias de enfoque (SI) mejores (~24%) y uniformes. Además, el diseño inverso se puede utilizar para mitigar los puntos focales fantasma o reducir el halo. Por ejemplo, su función objetivo puede definir la distribución de la intensidad de la luz a lo largo del eje óptico o la dispersión de la luz de orden cero.

La metaóptica a gran escala puede tener un impacto significativo en muchas aplicaciones. Aquí, demostramos un sistema de imágenes de realidad virtual basado en nuestra metaóptica. La realidad virtual es una tecnología que crea una experiencia inmersiva al reemplazar la realidad con un mundo imaginario61. Sus recientes avances no sólo han atraído la atención de la comunidad científica y la industria, sino que también han despertado el interés del público en general. Desafortunadamente, el uso generalizado de dispositivos de realidad virtual se ha visto obstaculizado por un cuello de botella en la arquitectura óptica. Los oculares utilizados en los cascos de realidad virtual actuales se basan principalmente en singletes refractivos, que adolecen de un tamaño y peso voluminosos y, además, comprometen la experiencia de visualización debido a aberraciones esféricas y cromáticas62. La metaóptica ofrece una tecnología para abordar estos desafíos de los sistemas de realidad virtual actuales21.

La Figura 6a es el esquema de nuestro sistema de realidad virtual, basado en nuestro metaocular acromático RGB de escala cm y una micro-LCD iluminada con láser. La micro-LCD se coloca cerca del plano focal del metaocular y la imagen en la pantalla se proyecta a través del metaocular en la retina, creando una escena virtual. En el experimento, utilizamos una lente tubular para imitar la córnea y el cristalino del ojo y una cámara CMOS para imitar la retina. Además, construimos en casa una pantalla cercana al ojo utilizando la luz láser como fuente de retroiluminación. Una pantalla de este tipo ofrece un alto brillo y una amplia gama de colores debido al estrecho ancho de línea. El tamaño de píxel es de aproximadamente 8 µm, lo que coincide con el estado de la técnica. La Figura 6b muestra los componentes clave del metaocular y la pantalla como se ilustra en el cuadro marrón discontinuo de la Figura 6a. Primero demostramos imágenes binarias de realidad virtual. La Figura 6c muestra la imagen de realidad virtual de un logotipo de escudo con la letra H roja, y la Figura 6d es la vista ampliada de una esquina (desde el cuadro discontinuo blanco de la Figura 6c). Se puede ver que el metaocular resuelve cada píxel de la pantalla. La Figura 6e, f es el resultado de la imagen de un logotipo del MIT bajo iluminación verde y azul, respectivamente. Además, demostramos imágenes de realidad virtual en escala de grises. La Figura 6g, h es un resultado de imagen en escala de grises (en luz roja) que muestra un edificio y una estatua de Harvard, respectivamente. La Figura 6i, j muestra las imágenes de realidad virtual en escala de grises de un edificio y un faro en verde y azul, respectivamente. Estos resultados de imágenes en color RGB implican la capacidad de generar imágenes a todo color, porque las imágenes en color se forman simplemente mezclando estos colores primarios. Por ejemplo, las figuras 7a a c muestran imágenes de realidad virtual de distintos círculos rojos, verdes y azules, respectivamente. La Figura 7d es el resultado de la imagen de realidad virtual en color simulada al superponer las figuras 7a a c, que muestran colores sintetizados de amarillo, magenta, cian y blanco en las regiones superpuestas del círculo. Además, la figura 7e-g muestra imágenes de realidad virtual de una torre de Harvard en canales rojo, verde y azul. La Figura 7h es el resultado de la imagen simulada a todo color al superponer las imágenes RGB (Fig. 7e-g). Además de las imágenes de realidad virtual estáticas, nuestro sistema de realidad virtual también puede mostrar un objeto de realidad virtual dinámico. La Figura 7i-l muestra un gato corriendo capturado a 0, 180, 460 y 600 ms, respectivamente. La pantalla cercana al ojo tiene una frecuencia de actualización de 60 Hz y la película grabada se puede encontrar en el SI. Además, analizamos una estrategia para reducir el factor de forma de la pantalla mediante el uso de una placa de iluminación basada en metasuperficie (SI).

a Esquema de la configuración de proyección de realidad virtual cercana al ojo que comprende un ocular metaóptico acromático RGB y una micro-LCD iluminada con láser. b Fotografía del montaje óptico correspondiente a la línea discontinua roja en a. La micro-LCD está montada sobre un escenario motorizado y delante de la metaóptica plana. c Resultado de imágenes binarias de realidad virtual que muestran el logotipo de Harvard en color rojo. La barra de escala es de 100 µm a menos que se indique lo contrario. d La vista ampliada del área rayada en c. Muestra que la metaóptica puede resolver cada píxel de la micro-LCD. La barra de escala es de 30 µm. e, f Resultado de imágenes binarias de los logotipos del MIT en color verde y azul, respectivamente. g, h Resultados de imágenes de realidad virtual en escala de grises que muestran un edificio y una estatua, en el campus de Harvard, en color rojo. i, j Resultados de imágenes de realidad virtual en escala de grises de un edificio de Boston y un faro en color verde y azul, respectivamente.

Imágenes de realidad virtual a – c de círculos rojo, verde y azul, respectivamente. La barra de escala es de 100 µm a menos que se indique lo contrario. d Imagen de realidad virtual simulada superponiendo a – c. e – g Resultados de imágenes de realidad virtual en escala de grises de una torre de Harvard en canales rojo, verde y azul, respectivamente. h Resultado de imágenes VR simuladas a todo color mediante la combinación de canales de imágenes RGB que se muestran, por ejemplo, en i–l Una película de imágenes de realidad virtual en diferentes fotogramas que muestra un gato corriendo. La película se puede encontrar en el material complementario. La pantalla cercana al ojo tiene una frecuencia de actualización de 60 Hz.

Este trabajo muestra importantes avances con respecto al anterior sistema de realidad virtual21. Gracias al innovador método de diseño inverso, la metaóptica ha aumentado el tamaño de apertura de mm a cm, lo que significa que puede integrarse con micropantallas y es más realista para las aplicaciones. Las micropantallas son la tendencia futura de los motores ópticos de realidad virtual; sin embargo, aún no existe una solución ocular que pueda resolver imágenes en color de alta resolución (~5 µm). En segundo lugar, la metaóptica ahora tiene un rendimiento de enfoque insensible a la polarización, lo que alivia los componentes adicionales de selección de polarización (por ejemplo, polarizador lineal y retardador de fase) y hace un mejor uso de la luz incidente (la eficiencia de enfoque aumenta en más del doble en comparación con la referencia 21). ). En tercer lugar, los metaátomos ahora tienen una forma geométrica simple y, por lo tanto, son más compatibles con la producción en gran escala y en masa. Por fin visualizar una película ahora es posible gracias a la alta frecuencia de actualización de nuestro sistema. En el futuro, creemos que la metaóptica aumentará las plataformas de lentes convencionales63 para formar un ocular híbrido compacto y libre de aberraciones de alto rendimiento para VR/AR. El metaocular de este trabajo corrige las aberraciones cromáticas y monocromáticas en condiciones de incidencia normal. El trabajo futuro mejorará esto para optimizar las correcciones de aberraciones de orden superior, como el coma y el campo de curvatura. Las posibles direcciones de investigación incluyen un metasistema que consta de múltiples piezas de metasuperficies47 o un diseño híbrido63 que combina un elemento refractivo con metaóptica.

En este artículo, presentamos un marco general de diseño inverso que es adecuado para la optimización de dispositivos fotónicos 3D a gran escala. Demostramos metaópticas 3D de diseño inverso de grandes diámetros, incluidas metalentes acromáticas y policromáticas RGB de 2 mm de diámetro, e incluso una metalente acromática RGB a escala de cm, la más grande hasta la fecha, que consta de ~ 109 metaátomos. . Además, demostramos un camino hacia una futura plataforma de realidad virtual basada en un metaocular y una micro-LCD iluminada con láser. Este método de diseño inverso también es aplicable para optimizar otros elementos ópticos en un sistema VR/AR, como los combinadores ópticos.

En general, el desarrollo de plataformas de imágenes portátiles de próxima generación que tengan un factor de forma pequeño, una alta eficiencia de enfoque y corrijan múltiples aberraciones sigue siendo un tema de investigación desafiante. Unas “lentes tipo pancake” desarrolladas recientemente para cascos de realidad virtual64, que comprenden un medio espejo cóncavo y un polarizador de reflexión, son más compactas en comparación con un ocular refractivo convencional; sin embargo, la eficiencia de transmisión está limitada a ~12,5%. Nuestra metaóptica demostrada hasta ahora tiene una eficiencia de enfoque de ~15% en longitudes de onda RGB bajo iluminación no polarizada. En comparación, nuestras lentes metálicas sensibles a la polarización acromática RGB de 2 mm de diámetro previamente informadas (NA = 0,7) mostraron una eficiencia de enfoque de ~12% en longitudes de onda RGB bajo iluminación LCP, lo que equivale a ~6% bajo iluminación no polarizada. El enfoque de nuestras lentes metálicas insensible a la polarización se logra mediante el uso de metaátomos anisotrópicos. Significa que el contraste de la imagen se puede mejorar seleccionando la polarización de la luz de salida a pesar de una eficiencia de enfoque relativamente baja. En comparación, la metaóptica isotrópica no es ideal para ingeniería de longitudes de onda múltiples y aplicaciones de imágenes directas, ya que sufre de luz de fondo cuando la eficiencia de enfoque es baja13. Para reducir el consumo de energía de un futuro dispositivo de realidad virtual, es necesario aumentar la eficiencia de enfoque de nuestros metaoculares. Para mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos se necesitan innovaciones en los metaátomos, es decir, en los componentes básicos de la metasuperficie. Visualizamos la próxima generación de metaátomos de múltiples capas y de forma libre, que abarca más grados de libertad y una física más rica, como la clave para un mayor rendimiento y funcionalidad. La implementación de metaátomos complejos en un marco de diseño inverso de área grande también requiere avances en los métodos computacionales. El modelo sustituto de Chebyshev utilizado en este trabajo necesita un conjunto de datos en aumento exponencial para más parámetros de diseño, pero trabajos recientes han demostrado que las redes neuronales que utilizan nuevas técnicas de aprendizaje activo65 e incorporan conocimientos de física66 pueden manejar diez parámetros con órdenes de magnitud menos de datos de entrenamiento. Estos avances significan que los futuros solucionadores rápidos basados ​​en sustitutos podrán utilizar métodos más precisos basados ​​en dominios de supercélulas66 que capturen mejor las variaciones rápidas de la superficie. La optimización de la topología de forma totalmente libre también ha comenzado a acercarse constantemente a escalas mayores mediante la explotación de aproximaciones de descomposición de dominio48,67 y restricciones axisimétricas51 con la ayuda de potencia informática a gran escala y simulaciones sustitutas rápidas68. Además de diseñar el enfoque de la luz de los metalenses, también se puede aprovechar el diseño inverso para explotar mejor otros procesos físicos, como los efectos ópticos69 no lineales, y obtener una mejor comprensión de los fenómenos multifísicos en las plataformas fotónicas. Creemos que los métodos de diseño inverso a gran escala desempeñarán un papel cada vez más importante en el futuro desarrollo de la metaóptica.

Los metaátomos se simulan utilizando el método RCWA. En la configuración de simulación, la altura de los metaátomos de TiO2 es de 600 nm, la periodicidad de la celda unitaria es de 400 nm y el sustrato es sílice fundida. La luz incidente está configurada para LCP (RCP) y la luz monitoreada está en el estado de polarización opuesto a RCP (LCP). La longitud de onda de simulación oscila entre 480 nm y 680 nm en el visible.

Los metalenses se fabrican sobre obleas de vidrio. La fabricación comienza con el recubrimiento por rotación de las resistencias de la siguiente manera: una capa delgada de hexametildisilazano (HMDS), una capa de resistencia de haz de electrones de 600 nm de espesor (Zeon Specialty Materials, ZEP-520A) y luego una capa final. capa de polímero conductor (Showa Denko, ESPACER 300) para disipar cargas durante el siguiente proceso EBL. Después de eso, las muestras de metales de 2 mm de diámetro se exponen usando Elionix ELS-F125 y las muestras de metales de 1 cm de diámetro se exponen usando Elionix HS-50, respectivamente, seguido de la eliminación de la capa de polímero conductor en agua y el desarrollo de la resistencia expuesta en Solución de o-xileno, respectivamente. A continuación, se deposita una fina película de TiO2 sobre la muestra revelada mediante deposición de capas atómicas a baja temperatura (Cambridge Nanotech, Savannah). La película delgada de TiO2 se deposita conformemente sobre la muestra, no solo llenando completamente el interior del área revelada sino también sobre la película protectora restante. La capa de TiO2 excesivamente crecida se elimina posteriormente mediante grabado con iones reactivos (Oxford Instruments, PlasmaPro 100 Cobra 300) con gases de grabado de CHF3, O2 y Ar, hasta que la capa de resistencia subyacente quede expuesta. En el paso final, la capa resistente se retira en una solución de Remover PG (Kayaku Advanced Materials) a 85 °C durante 24 horas, dejando solo las nanoestructuras de TiO2 en la oblea de vidrio.

Las bibliotecas de metaátomos que se utilizan para diseñar las metasuperficies en este estudio se han depositado en la base de datos interna de la Universidad de Harvard. Los datos están disponibles bajo acceso restringido para uso no comercial, y el acceso puede obtenerse de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

Los códigos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles previa solicitud razonable de los autores correspondientes.

Yu, N. & Capasso, F. Óptica plana con metasuperficies de diseño. Nat. Madre. 13, 139-150 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Chen, H.-T., Taylor, AJ y Yu, N. Una revisión de metasuperficies: física y aplicaciones. Prog. Rep. Física. 79, 076401 (2016).

Artículo ADS PubMed CAS Google Scholar

Khorasaninejad, M. & Capasso, F. Metalenses: componentes fotónicos multifuncionales versátiles. Ciencia 358, aam8100 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Lalanne, P. & Chavel, P. Metalenses en longitudes de onda visibles: pasado, presente, perspectivas. Fotónica láser Rev.11, 1600295 (2017).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Tseng, ML y cols. Metalenses: avances y aplicaciones. Adv. Materia óptica. 6, 1800554 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

He, Q., Sun, S., Xiao, S. y Zhou, L. Metasuperficies de alta eficiencia: principios, realizaciones y aplicaciones. Adv. Materia óptica. 6, 1800415 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, S. y col. Dispositivos de metasuperficie ópticos acromáticos de banda ancha. Nat. Comunitario. 8, 1–9 (2017).

ADS CAS Google Académico

Shrestha, S., Overvig, AC, Lu, M., Stein, A. y Yu, N. Metalenses dieléctricos acromáticos de banda ancha. Luz. Ciencia. Aplica. 7, 1-11 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, S. y col. Un metal acromático de banda ancha en lo visible. Nat. Nanotecnología. 13, 227–232 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Chen, WT y cols. Un metal acromático de banda ancha para enfocar e imágenes en lo visible. Nat. Nanotecnología. 13, 220–226 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Chen, WT, Zhu, AY y Capasso, F. Óptica plana con metasuperficies diseñadas por dispersión. Nat. Rev. Mater. 5, 604–620 (2020).

ADS del artículo Google Scholar

Ella, A., Zhang, S., Shian, S., Clarke, DR & Capasso, F. Metalenses de gran superficie: diseño, caracterización y fabricación en masa. Optar. Expreso 26, 1573-1585 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Park, J.-S. et al. Metalentes grandes totalmente de vidrio en longitud de onda visible utilizando litografía de proyección ultravioleta profunda. Nano Lett. 19, 8673–8682 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Hu, T. y col. Metalentes a-Si compatibles con CMOS en una oblea de vidrio de 12 pulgadas para imágenes de huellas dactilares. Nanofotónica 9, 823–830 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Camayd-Muñoz, P., Ballew, C., Roberts, G. & Faraon, A. Metaóptica volumétrica multifuncional para sensores de imagen de color y polarización. Óptica 7, 280–283 (2020).

ADS del artículo Google Scholar

Rubin, NA y cols. La óptica Matrix Fourier permite una cámara compacta de polarización Stokes completa. Ciencia 365, eaax1839 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Lin, RJ y cols. Conjunto de lentes metálicas acromáticas para obtener imágenes de campos de luz a todo color. Nat. Nanotecnología. 14, 227–231 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Guo, Q. y col. Sensores de profundidad metálicos compactos de un solo disparo inspirados en los ojos de las arañas saltarinas. Proc. Acad. Nacional. Ciencia. Estados Unidos 116, 22959–22965 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Joo, W.-J. et al. Pantallas OLED impulsadas por metasuperficie que superan los 10.000 píxeles por pulgada. Ciencia 370, 459–463 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Lee, G.-Y. et al. Ocular Metasurface para realidad aumentada. Nat. Comunitario. 9, 1-10 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Li, Z. y col. La metaóptica logra el enfoque acromático RGB para la realidad virtual. Ciencia. Adv. 7, eabe4458 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Faraji-Dana, M. et al. Espectrómetro de metasuperficie plegado compacto. Nat. Comunitario. 9, 1–8 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Zhu, AY y cols. Espectrómetros compactos con corrección de aberración en lo visible utilizando metasuperficies adaptadas a la dispersión. Adv. Materia óptica. 7, 1801144 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

McClung, A., Samudrala, S., Torfeh, M., Mansouree, M. & Arbabi, A. Imágenes espectrales instantáneas con metasistemas paralelos. Ciencia. Adv. 6, eabc7646 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lalanne, P. Guía de ondas en elementos difractivos binarios encendidos. JOSA A 16, 2517–2520 (1999).

ADS del artículo Google Scholar

Khorasaninejad, M. & Capasso, F. Metarrejillas eficientes multifuncionales de banda ancha basadas en desfasadores de guías de ondas dieléctricas. Nano Lett. 15, 6709–6715 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang, L. y col. Metaóptica Huygens transmisiva de infrarrojo medio ultrafina de alta eficiencia. Nat. Comunitario. 9, 1–9 (2018).

ADS CAS Google Académico

Yu, N. y col. Propagación de la luz con discontinuidades de fase: leyes generalizadas de reflexión y refracción. Ciencia 334, 333–337 (2011).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ni, X., Emani, NK, Kildishev, AV, Boltasseva, A. y Shalaev, VM Luz de banda ancha curvada con nanoantenas plasmónicas. Ciencia 335, 427–427.

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Aieta, F. et al. Lentes planas ultrafinas y axicones sin aberraciones en longitudes de onda de telecomunicaciones basadas en metasuperficies plasmónicas. Nano Lett. 12, 4932–4936 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Khorasaninejad, M. et al. Metalentes en longitudes de onda visibles: enfoque limitado por difracción e imágenes con resolución por debajo de la longitud de onda. Ciencia 352, 1190-1194 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Molesky, S. y col. Diseño inverso en nanofotónica. Nat. Fotónica 12, 659–670 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Sell, D., Yang, J., Doshay, S., Yang, R. & Fan, JA Metarrejillas multifuncionales de gran ángulo basadas en geometrías multimodo de forma libre. Nano Lett. 17, 3752–3757 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ma, W. y col. Aprendizaje profundo para el diseño de estructuras fotónicas. Nat. Fotónica 15, 1-14 (2020).

Google Académico

Trivedi, R., Su, L., Lu, J., Schubert, MF y Vuckovic, J. Aceleración de simulaciones fotónicas basada en datos. Ciencia. Representante 9, 1–7 (2019).

Artículo de Google Scholar

Lu, L. y col. Redes neuronales basadas en la física con restricciones estrictas para el diseño inverso. SIAM J. Ciencias. Computadora. 43, B1105-B1132 (2021).

Artículo MathSciNet MATEMÁTICAS Google Scholar

An, S. et al. Un enfoque de aprendizaje profundo para el diseño de metasuperficies totalmente dieléctricas basado en objetivos. Fotónica ACS 6, 3196–3207 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Jiang, J., Chen, M. & Fan, JA Redes neuronales profundas para la evaluación y diseño de dispositivos fotónicos. Nat. Rev. Mater. 6, 1-22 (2020).

Google Académico

Lin, Z. y col. Diseño inverso nanofotónico de extremo a extremo para imágenes y polarimetría. Nanofotónica 10, 1177–1187 (2021).

Artículo de Google Scholar

Tseng, E. et al. Nanoóptica neuronal para imágenes de lentes delgadas de alta calidad. Nat. Comunitario. 12, 1–7 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Sitzmann, V. y col. Optimización de extremo a extremo de la óptica y el procesamiento de imágenes para obtener imágenes acromáticas de profundidad de campo extendida e imágenes de súper resolución. Transmisión ACM. Grafico. 37, 1-13 (2018).

Artículo de Google Scholar

Dory, C. y col. Fotónica de diamante de diseño inverso. Nat. Comunitario. 10, 1–7 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Sapra, NV y col. Acelerador de partículas impulsado por láser integrado en chip. Ciencia 367, 79–83 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Piggott, AY y cols. Diseño inverso y demostración de un demultiplexor de longitud de onda en chip compacto y de banda ancha. Nat. Fotónica 9, 374–377 (2015).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Campbell, SD y cols. Revisión de técnicas de optimización numérica para el diseño de metadispositivos. Materia óptica. Expreso 9, 1842–1863 (2019).

ADS del artículo Google Scholar

Chung, H. & Miller, OD Metalentes acromáticos High-NA por diseño inverso. Optar. Expreso 28, 6945–6965 (2020).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Backer, AS Diseño inverso computacional para sistemas en cascada de óptica de metasuperficie. Optar. Expreso 27, 30308–30331 (2019).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Phan, T. y col. Metasuperficies de topología optimizada, de gran superficie y de alta eficiencia. Luz. Ciencia. Aplica. 8, 1–9 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Bayati, E. et al. Metalentes de diseño inverso con profundidad de enfoque extendida. Fotónica ACS 7, 873–878 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Mansouree, M. y col. Metaestructuras multifuncionales de 2,5 d habilitadas mediante optimización adjunta. Óptica 7, 77–84 (2020).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Christiansen, RE et al. Diseño inverso de Fullwave Maxwell de metalentes de longitud de onda axisimétrica, sintonizable y de múltiples escalas. Optar. Expreso 28, 33854–33868 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Vercruysse, D., Sapra, NV, Su, L., Trivedi, R. y Vučković, J. Restricciones de fabricación de conjuntos de niveles analíticos para diseño inverso. Ciencia. Representante 9, 1–7 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Pestourie, R. y col. Diseño inverso de metasuperficies de gran superficie. Optar. Expreso 26, 33732–33747 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Boyd, JP Chebyshev y métodos espectrales de Fourier (Courier Corporation, 2001).

Pérez-Arancibia, C., Pestourie, R. & Johnson, SG Adiabaticidad lateral: más allá de la óptica de rayos para metasuperficies que varían lentamente. Optar. Expreso 26, 30202–30230 (2018).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Svanberg, K. Una clase de métodos de optimización globalmente convergentes basados ​​en aproximaciones separables convexas conservadoras. SIAM J. Optim. 12, 555–573 (2002).

Artículo MathSciNet MATEMÁTICAS Google Scholar

Kan, AR & Timmer, GT Métodos de optimización global estocástica parte I: métodos de agrupamiento. Matemáticas. Programa. 39, 27–56 (1987).

Artículo MATEMÁTICAS Google Scholar

Strang, G. Ingeniería y ciencias computacionales. (Wellesley-Cambridge Press, 2007).

Devlin, RC, Khorasaninejad, M., Chen, WT, Oh, J. & Capasso, F. Metasuperficies dieléctricas de alta eficiencia de banda ancha para el espectro visible. Proc. Acad. Nacional. Ciencia. Estados Unidos 113, 10473–10478 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chen, WT, Zhu, AY, Sisler, J., Bharwani, Z. y Capasso, F. Metales insensibles a la polarización acromática de banda ancha que consisten en nanoestructuras anisotrópicas. Nat. Comunitario. 10, 1–7 (2019).

CAS Google Académico

Sherman, WR y Craig, AB Comprensión de la realidad virtual: interfaz, aplicación y diseño (Morgan Kaufmann, 2018).

Beams, R., Kim, AS y Badano, A. Aberración cromática transversal en cascos de realidad virtual. Optar. Expreso 27, 24877–24884 (2019).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Chen, WT y cols. Óptica refractiva de metasuperficie acromática de banda ancha. Nano Lett. 18, 7801–7808 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Sneider, R. & Horne, J. Kopin Corporation anuncia ópticas Pancake® totalmente de plástico con excelente rendimiento https://www.businesswire.com/news/home/20210615005440/en/ (2021).

Pestourie, R., Mroueh, Y., Nguyen, TV, Das, P. & Johnson, SG Aprendizaje activo de sustitutos profundos para PDE: aplicación al diseño de metasuperficies. npj Computación. Madre. 6, 1–7 (2020).

Artículo de Google Scholar

Pestourie, R., Mroueh, Y., Rackauckas, C., Das, P. & Johnson, SG Sustitutos profundos mejorados con física para PDE. Preimpresión en https://doi.org/10.48550/arXiv.2111.05841 (2021).

Lin, Z. & Johnson, SG Dominios superpuestos para la optimización topológica de metasuperficies de gran área. Optar. Expreso 27, 32445–32453 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Chen, M. y col. Aprendizaje profundo aumentado por la física para simulación y optimización electromagnética de alta velocidad. Preimpresión en https://doi.org/10.48550/arXiv.2203.01248 (2021).

Fisher, S., Pestourie, R. & Johnson, SG Marco perturbativo eficiente para el acoplamiento de modos radiativos y guiados. Preimpresión en https://doi.org/arXiv:2203.02602 (2022).

Descargar referencias

ZL, JP y FC cuentan con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (n.º de subvención HR00111810001) y AFOSR (n.º de subvención FA9550-21-1-0312). Este trabajo se realizó en parte en el Centro para el Sistema de Nanoescala (CNS), miembro de la Infraestructura Coordinada Nacional de Nanotecnología (NNCI), que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo el premio NSF no. 1541959. CNS es parte de la Universidad de Harvard. RP recibió el apoyo de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados (Premio No. W911NF-18-2-0048) y el Laboratorio de IA Watson del MIT-IBM (Desafío No. 2415). Y.-WH cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación, Oficina del Primer Ministro de Singapur, en el marco de su Programa de Investigación Competitiva (Premio CRP No. NRF-CRP15-2015-03). Los autores agradecen a Meredith Dost por sus sugerencias en la edición del manuscrito.

Estos autores contribuyeron igualmente: Zhaoyi Li, Raphaël Pestourie.

Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard, Universidad de Harvard, Cambridge, MA, EE. UU.

Zhaoyi Li, Joon-Suh Park, Yao-Wei Huang y Federico Capasso

Departamento de Matemáticas, Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge, MA, EE.UU.

Raphaël Pestourie y Steven G. Johnson

Centro de Investigación de Nanofotónica, Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología, Seúl, República de Corea

Parque Joon-Suh

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Nacional de Singapur, Singapur, Singapur

Yao-Wei Huang

Departamento de Fotónica, Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung, Hsinchu, Taiwán

Yao-Wei Huang

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

ZL y RP concibieron el concepto original. RP desarrolló el marco de diseño inverso con la contribución de ZLZL y llevó a cabo el experimento de fabricación, medición y obtención de imágenes de realidad virtual de metalenses. JP e Y.-WH contribuyeron a la fabricación del dispositivo y a las imágenes SEM. SJ y FC supervisaron el proyecto. ZL y RP prepararon el manuscrito con aportaciones de los autores.

Correspondencia a Zhaoyi Li, Steven G. Johnson o Federico Capasso.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado a los autores originales y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Li, Z., Pestourie, R., Park, JS. et al. El diseño inverso permite una metaóptica de alto rendimiento a gran escala que remodela la realidad virtual. Nat Comuna 13, 2409 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29973-3

Descargar cita

Recibido: 23 de junio de 2021

Aceptado: 11 de abril de 2022

Publicado: 03 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-29973-3

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Nanoconvergencia (2023)

eLight (2023)

Materiales de la naturaleza (2023)

Luz: ciencia y aplicaciones (2023)

Fotónica de la naturaleza (2023)

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.