Et forskerteam hos Postech har udviklet en ny multidimensionel prøveudtagningsteori for at overvinde begrænsningerne i flad optik. Deres undersøgelse identificerer ikke kun begrænsningerne for konventionelle prøveudtagningsteorier i metasurface-design, men præsenterer også en innovativ anti-aliasing-strategi, der markant forbedrer optisk ydeevne. Deres fund blev offentliggjort i Naturkommunikation.
Flat Optics er en avanceret teknologi, der manipulerer lys ved nanoskalaen ved at mønstre ultratynde overflader med nanostrukturer. I modsætning til traditionelle optiske systemer, der er afhængige af voluminøse linser og spejle, muliggør flad optik ultra-kompakt, højtydende optiske enheder. Denne innovation er især afgørende for miniaturisering af smartphone -kameraer (reducerer “kamerabumpen”) og fremmer AR/VR -teknologier.
Metasurfaces, en af de mest lovende anvendelser af flad optik, er afhængige af hundreder af millioner af nanostrukturer til nøjagtigt at prøve og kontrollere fasedistributionen af lys. Prøveudtagning henviser i denne sammenhæng til processen med at konvertere analoge optiske signaler til diskrete datapunkter – svarende til, hvordan den menneskelige hjerne behandler visuel information ved hurtigt at fange flere billeder pr. Sekund for at skabe kontinuerlig bevægelsesopfattelse.
Imidlertid kommer traditionelle prøveudtagningsmetoder med udfordringer. Når prøveudtagningshastigheden er for lav, forekommer aliaserende artefakter, hvilket fører til forvrængede billeder og optiske ineffektiviteter.
Et velkendt eksempel er vognhjulseffekten, hvor et spindingshjul i en video ser ud til at bevæge sig bagud eller fryse på grund af utilstrækkelige billedhastigheder. Dette aliaseringsspørgsmål er en vigtig begrænsning i Metasurface -design, hvilket reducerer optisk effektivitet og præcision markant.
I årtier har forskere været afhængige af Nyquist -samplingssætningen for at forudsige og afbøde aliasing. Imidlertid opdagede Postech -teamet, at Nyquists sætning, selv om den er nyttig til digital signalbehandling, ikke fuldt ud tegner sig for de optiske kompleksiteter af metasurfaces.
Mens Nyquist -teorien effektivt definerer frekvensgrænser for digital signalbehandling, undlader den at forudsige eller forhindre optisk forvrængning i metasurfaces, som skal redegøre for både den komplekse nanostruktur af metasurflader og lysbølgekarmen.
For at tackle denne begrænsning udviklede teamet en ny multidimensionel prøveudtagningsteori, der inkorporerer både den to-dimensionelle gitterstruktur af metasurfaces og bølgeegenskaberne i lys. Deres forskning afslørede for første gang, at det geometriske forhold mellem en metasurface’s nanostrukturerede gitter og dens spektrale profil spiller en afgørende rolle i bestemmelsen af optisk ydeevne.
Ved at justere gitterrotationen og integrere diffraktionselementer introducerede teamet en anti-aliaserende strategi, der minimerer støj og forbedrer lysstyring. Ved hjælp af denne fremgangsmåde reducerede de med succes optisk støj over et bredt spektrum-fra synligt lys til ultraviolette bølgelængder-og demonstrerede metalenser med høj numerisk) og vidvinkel-meta-hologram, der fungerer i det ultraviolette regime.
Denne undersøgelse omdefinerer ikke kun de teoretiske rammer for optiske metasurfaces, men slapper også af fabrikationsbegrænsninger, hvilket gør den ultraviolette og høje numeriske-blænde-metasurfaces i høj opløsning mere gennemførlige.
Professor Junsuk Rho understregede betydningen af deres opdagelse, “Denne forskning åbner nye muligheder for næste generation til ekstrem ultraviolet.
“Ultraviolet optik med kort bølgelængde kræver ekstremt præcis fabrikation, hvilket gør forskning på dette område meget udfordrende. Imidlertid letter vores fund markant disse fabrikationskrav, hvilket låser op for nye muligheder i ultraviolette metasurfaces.”
Undersøgelsen blev ledet af professor Rho (afdelinger for maskinteknik, kemiteknik, elektroteknik og Graduate School of Convergence Science and Technology) sammen med MS/Ph.D. Studerende Seokwoo Kim, Joohoon Kim, Kyungtae Kim og Minsu Jeong (Department of Mechanical Engineering) i Postech.