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Jun 15, 2023

インバースデザインにより、

Nature Communications volume 13、記事番号: 2409 (2022) この記事を引用する 15k アクセス数 38 引用数 99 オルトメトリック メトリックの詳細 メタ光学は、過去 10 年間で大きな進歩を遂げました。

Nature Communications volume 13、記事番号: 2409 (2022) この記事を引用

15,000 アクセス

38 件の引用

99 オルトメトリック

メトリクスの詳細

メタオプティクスは過去 10 年間に大きな進歩を遂げました。 しかし、従来の前向き設計は、機能の複雑さとデバイスのサイズの拡大に伴い課題に直面しています。 逆設計はメタオプティクス設計の最適化を目的としていますが、現在は高価な総当たり数値ソルバーによって小型デバイスに限定されており、実験的に実現することも困難です。 ここでは、3 次元の非周期的な大規模 (20k × 20k λ2) 複雑なメタオプティクスのための一般的な逆設計フレームワークを紹介します。これにより、それぞれ高速近似ソルバーとアジョイント法を介してシミュレーションと最適化の両方の計算コストが軽減されます。 私たちのフレームワークは、代理モデルを介して製造上の制約を自然に考慮します。 実験では、収差補正されたメタレンズが高い開口数、多色集束、センチメートルスケールまでの大口径で可視領域で動作することを実証します。 このような大規模なメタ光学は、アプリケーションの新しいパラダイムを開き、メタ接眼レンズとレーザー裏面照射型マイクロ液晶ディスプレイを使用して、将来の仮想現実プラットフォームの可能性を実証します。

新しい種類の平面光学であるメタ光学は、人工のサブ波長コンポーネントまたは「メタ原子」1、2、3、4、5、6 を使用して電磁波の工学を再構築しました。 物理学における最近の進歩 7,8,9,10,11 と大規模なメタ光学製造の進歩 12,13,14 は、メタ光学が広く使用される将来のビジョンを刺激します。 最近の研究では、偏光/ライトフィールド/深度イメージングカメラ15,16,17,18、メタサーフェス駆動型OLED19、仮想/拡張現実システム20,21、コンパクト分光計22,23などのメタ光学プラットフォームに基づく最先端技術が実証されています。これまでのところ、メタ光学の主流の設計は主に「順方向」方法論に基づいており、事前に定義された位相プロファイルに従って、個々のメタ原子コンポーネントを（位相シフタとして）個別に設計します25。 、26。 フォワード設計は、単一波長の波の曲げ 27,28,29 や集束などの単純なデバイス機能の実現に成功していることが実証されていますが、先験的な直感的な知識に大きく依存しており、大規模で複雑なメタ光学の開発が制限されています。入射光の波長、偏光、スピン、角度に応じて複数のカスタム機能を実現できます。 設計問題の複雑さ、直径、または制約が増大するにつれて、最適な解決策を探索するフォワードドリブンな方法の能力はますます弱まっていきます。 メタオプティクスの将来の進歩には、設計哲学のブレークスルーが必要です。

フォワード デザインとは対照的に、インバース デザインは目的の機能から開始し、計算アルゴリズムを使用して設計ジオメトリを最適化します。 これは、橋や航空機の翼の形状の最適化など、大規模で複雑な工学的問題を解決するのに役立つツールです。 近年、インバース デザインがフォトニクス エンジニアリングの状況を再構築しています。 逆設計手法の複数の種類が研究されています。 機械学習技術34、35、36は、特定の応答の設計を見つけるためにニューラルネットワークを訓練する37、または高性能設計をサンプリングするために生成ネットワーク（例、敵対的生成ネットワーク）を訓練する38。 フォトニクスにおける逆設計の最近の進化により、形状と後処理パラメータがエンドツーエンドで最適化されています39、40、41。 逆設計は、フォトニック結晶 42、オンチップ ナノフォトニクス 43、44、メタ表面 45、46、およびその他のデバイスの最適化において大きな成功を収めていることが実証されています。

逆計画は、非周期的な大規模メタ光学にとって依然として非常に困難です。 最適化はシミュレーションの多くの反復に依存しますが、設計問題のマルチスケールの性質47、つまりナノスケールのメタ原子 (nm) とマクロスケールのメタ光学 (数 100 μm から cm) により、設計次元がスケールアップするにつれて計算的に扱いにくくなります。 一方で、ナノスケールで物理を捉えることができる有限差分時間領域 (FDTD) または有限要素解析法を使用して、直径 1 cm の非周期 3D デバイスをモデル化することは非現実的ですが、両方の計算によって制限されます。時間と記憶容量。 たとえば、サイズ 50 µm2 のメタサーフェス デバイス (メッシュ サイズが 5 nm であると仮定) を FDTD ソルバーでシミュレートするには、所要時間は約 100 時間、RAM メモリには約 100 ギガバイトかかります。 一方、光線追跡シミュレーションは大規模な光学設計に適していますが、光場の全波の性質を捉えることはできません。 また、人工メタ原子によって提供される急速に変化する位相波面の豊かな物理学を除外して、ゆっくりと変化する位相プロファイルのみを許可します。 私たちの知る限り、逆設計された完全に 3 次元のメタサーフェスの直径は約 200λ48,49,50,51、可視光の場合約 100 μm に制限されています。 さらに、最適化中にこれらの制約を追加する必要があるほとんどの逆設計フレームワークとは対照的に、当社の逆設計フレームワークはサロゲート モデル内で製造制約を処理します52。