Washington Üniversitesi’nden bilim insanları tarafından yönetilen bir ekip, ışığı nano ölçekli hassasiyetle değiştirebilecek bir 3D basılı meta malzeme tasarladı ve test etti.
Ekibin tasarım ilkeleri ve deneysel bulguları; üç boyutta yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip optik alanları hassas biçimde manipüle edebilen meta malzeme cihazların modellenmesinin ve inşa edilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir. Ekip; optik elemanlarının ışığa odaklanması için sarmal bir model (sarmal eğri) seçmesine rağmen, yaklaşımı, ışığı diğer kalıplarda kontrol eden ve odaklayan optik elemanlar tasarlamak için kullanılabilir.
Işık üzerinde bu hassas kontrol seviyesine sahip cihazlar; sadece lensler veya retroreflektörler gibi günümüzün optik elemanlarını küçültmek için değil, aynı zamanda yeni çeşitleri de gerçekleştirmek için kullanılabilir. Ek olarak, optik alanların üç boyutta tasarlanması, otonom taşıma için ultra kompakt derinlik sensörlerinin yanı sıra sanal veya artırılmış gerçeklik kulaklıklarındaki ekranlar ve sensörler için optik elemanların oluşturulmasını sağlayabilir.
UW Nano Mühendisli Sistemler Enstitüsü ve Moleküler ve Mühendislik Bilimleri Enstitüsü Elektrik, Bilgisayar Mühendisliği ve Fizik Profesörü Yardımcı Doçenti Arka Majumdar: “Bu rapor edilen cihaz; kırılma optiğinde klasik bir analoğa sahip deği. Daha önce bu yetenekler seti ile hiç kimse böyle bir cihaz yapmamıştı.”
Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı ve Dayton Üniversitesi Araştırma Enstitüsü’nün araştırmacılarını içeren ekip; optik element tasarımı için optik meta malzeme alanında daha az kullanılan bir yaklaşım benimsemiştir: Ters tasarım… Ters tasarımı kullanarak; oluşturmak istedikleri optik alan profili türüyle (sarmal bir düzende sekiz odaklanmış ışık noktası) başlamış ve bu kalıbı oluşturacak meta malzeme bir yüzey tasarlanmıştır.
Majumdar: “Belirli bir işlevsellik verilen bir optik elemanın uygun yapısını her zaman sezgisel olarak bilmiyoruz. Tersine tasarımın devreye girdiği yer de burası: Algoritmanın optiği tasarlamasına izin veriyorsunuz.”
Bu yaklaşım basit görünmekle birlikte, deneme yanılma tasarım yöntemlerinin sakıncalarından kaçınırken, ters tasarım; optik olarak aktif olan geniş alanlı meta malzemeler için yaygın olarak kullanılmaz, çünkü çok sayıda simülasyon gerektirir, ters tasarımı hesaplamalı olarak yoğunlaştırır.
Araştırmacı Alan Zhan, ekibin optik elementi tasarlamak için Mie Saçılma Teorisi‘ni* kullanabileceğini fark etti. Mie Saçılması, belirli bir dalga boyundaki ışık dalgalarının optik dalga boyuna benzer boyuttaki küreler veya silindirler tarafından nasıl dağıldığını açıklar. Mie Saçılma Teorisi; vitraydaki metalik nanoparçacıkların bazı kilise pencerelere nasıl koyu renk verebildiğini ve diğer vitray yapıların, ışığın farklı dalga boylarında nasıl renk değiştirdiğini açıklıyor.
Zhan: “Mie Saçılma Teorisi uygulamamız, belirli şekillere (kürelere) özgüdür; bu şekilleri, optik elemanın tasarımına dahil etmek zorunda kaldık. Ancak, Mie Saçılma Teorisine dayanarak, tasarım ve simülasyon sürecini önemli ölçüde basitleştirdik. Çünkü optik element ile etkileşime girdiğinde ışığın özellikleri hakkında çok spesifik, çok kesin hesaplamalar yapabilirdik.”
Araştırmacıların yaklaşımı; silindirler ve elipsoidler gibi farklı geometrileri içermek için kullanılabilir.
Ekibin tasarladığı optik eleman, temel olarak; periyodik bir kare kafes şeklinde düzenlenmiş, farklı boyutlarda binlerce küçük alanda kaplanmış bir yüzeydir. Bu şekilde küreleri kullanmak tasarımı basitleştirdi ve ekip, UW kampüsündeki Washington Nanofabrication Facility’de iki prototip optik elementi (sadece 0.02 santim uzunluğunda) iki tarafın da daha büyük olanlarını imal etmek için ticari olarak temin edilebilir bir 3 boyutlu yazıcı kullandı. Optik elemanlar; cam yüzeylerdeki ultraviyole epoksiden 3 boyutlu olarak basıldı. Bir eleman ışığı 1.550 nanometreye, diğeri 3.000 nanometreye odaklamak için tasarlandı.
Araştırmacılar optik elemanları mikroskop altında görselleştirerek ne kadar iyi performans gösterdiklerini görmek için görselleştiriyorlardı. (3 boyutlu sarmal desen boyunca sekiz spesifik noktada 1,550 ya da 3,000 nanometreye ışık tutuyorlardı.) Mikroskop altında, en çok odaklanan ışık noktaları; ekibin teorik simülasyonları tarafından öngörülen pozisyonlardaydı. Örneğin, 1.550 nanometre dalga boyu cihazı için, sekiz odak noktasından altısı öngörülen konumdaydı. Kalan iki sadece küçük sapmalar gösterdi.
Ekip, prototiplerinin yüksek performansıyla, arka plan ışık seviyelerini azaltmak ve odak noktalarının yerleştirme doğruluğunu artırmak için tasarım sürecini geliştirmek ve Mie Saçılma Teorisi ile uyumlu diğer tasarım öğelerini dahil etmek istiyor.
Çalışmanın özellikle umut vaat eden yönlerden biri de gerçek hacimli, 3 boyutlu bir meta malzeme oluşturmak için tek bir yüzeyin ötesine geçmekti.
* Mie Saçılması Teorisi: Düzgün, izotropik dielektrik sonsuz bir ortamda bulunan en basit formdaki (küre, sonsuz silindirde) tek biçimli izotropik partiküller tarafından düzlem elektromanyetik dalgaların emme ve saçılma teorisidir. Mie teorisinin ilk varsayımları idealize edilse de, sonuçları ışık saçma ortamında radyasyon ısı transferi problemlerini çözerken yaygın olarak kullanılır.
