Metalensele sunt tot mai des considerate soluții viabile pentru îmbunătățirea performanței sistemului, în timp ce se reduce dimensiunea și greutatea acestuia în dispozitivele complexe de imagistică și iluminare. Acest lucru se datorează faptului că o singură metalensă poate adesea să obțină aceeași performanță care, în mod normal, ar necesita mai multe componente optice “tradiționale” în cadrul dispozitivului.

Cu toate acestea, proiectarea metalenselor care pot îndeplini cerințele sistemului și pot fi fabricate la scară rămâne o provocare semnificativă. Acest lucru se datorează faptului că metalensele pot varia în diametru de la sute de microni – atunci când sunt implementate în dispozitive compacte, cum ar fi senzorii de imagine și endoscoape – până la centimetri (sau mai mulți) atunci când sunt folosite pentru a înlocui componente refractive mai groase în sisteme precum camerele de telefon mobil sau căști de realitate augmentată (AR).

Proiectarea robustă a metalenselor necesită simulări multiphysics, care pot oferi o evaluare precisă atât a performanței lentilei într-o gamă largă de diametre, cât și a performanței metalensei în cadrul unui sistem optic mai mare.

Ce Este o Metalens?

O metalensă utilizează un model sublungime de “meta-atom” pe o suprafață dielectrică pentru a manipula lumina incidentă. Mai precis, modelul de meta-atom modifică profilul de fază al fasciculului de lumină incident, determinând îndoirea (redirecționarea) fasciculului. Meta-atomele sunt structuri foarte mici la nivel nanometric, cu forme și dimensiuni variate, poziția lor pe lentilă putând fi arbitrară și sunt concepute pentru a controla interacțiunea luminii. În timp ce “lens” în metalensă sugerează că aceste componente sunt folosite pentru focalizarea luminii ca o lentilă tradițională, termenul a fost adoptat de industrie pentru a acoperi o gamă largă de funcționalități pe care le oferă manipularea fazei.

Pentru a realiza această manipulare a fazei, metalensele necesită o diferență mare între indicele de refracție al meta-atomilor și cel al materialului înconjurător. Materialele utilizate pentru metalense depind de intervalul de lungimi de undă țintit pentru aplicația de interes, în care absorbția materialului este minimă, iar tehnologiile de fabricație pot satisface cerințele de dimensiune ale caracteristicilor. De exemplu, siliciul este în general considerat pentru aplicații în infraroșu apropiat (IR), cum ar fi senzorii, în timp ce dioxidul de titan, nitrida de galiu și nitrida de siliciu sunt luate în considerare pentru aplicații de camere în intervalul de lungimi de undă vizibil.

Cum Sunt Fabricate Metalensele?

Metoda de fabricație va determina modelele posibile de meta-atomi care pot fi utilizate în proiectarea unei metalense. Metodele actuale de fabricație includ:

• Litografia cu fascicul de electroni (E-beam): Utilizează un fascicul concentrat de electroni pentru a crea modele nanometrice pe un substrat, oferind o precizie și versatilitate excepționale în nanofabricație. Această metodă este în principal pentru aplicații de cercetare, deoarece nu este potrivită pentru producția în masă a metalenselor.

• Litografia cu ultraviolet adânc (DUV): Folosește lumină ultravioletă adâncă pentru a transfera modele complexe pe un material fotosensibil. Aceasta este o tehnologie crucială în fabricația de semiconductori pentru modelare de înaltă rezoluție.

• Litografia cu amprentă nano (Nanoimprint): Implică apăsarea unui șablon cu nanostructuri predefinite pe un substrat. Acest lucru oferă o metodă rentabilă și scalabilă pentru replicarea modelelor la scară nanometrică cu o precizie ridicată.

Toate metodele de mai sus susțin definiții flexibile ale modelului de meta-atom în planul XY al suprafeței, dar au capacitate limitată de a susține variații în direcția Z. Prin urmare, multe dintre modelele actuale de metalense se bazează pe forme binare, în care modelul de meta-atom este uniform în Z, dar arbitrar în planul XY.

În final, metalensele prezintă provocări pentru fabricația la scară pentru costuri reduse, deoarece combină dimensiuni mici ale caracteristicilor (pentru manipularea fazei) cu amprente mari (pentru numărul numeric/apertură a fasciculului). Suntem încă la începuturile fabricației de metalense, astfel încât nu este clar dacă unele sisteme de materiale sau procese de fabricație vor oferi economia de scară de care se bucură industria semiconductorilor și a circuitelor integrate fotonic (PIC). Cu toate acestea, în unele domenii de aplicare, beneficiul utilizării unei metalense subțiri față de opticile tradiționale poate depăși costul său, în special în comparație cu costul sistemului pentru tehnologii sofisticate precum un endoscop medical.

Rolul Simulării în Proiectarea Metalenselor

Metalensele sunt componente optice complexe ale căror impact asupra performanței sistemului nu poate fi evaluat fără simulare. Simularea permite luarea rapidă a deciziilor de proiectare prin susținerea optimizării designului, toleranțelor și analizei randamentului. Cu toate acestea, simularea eficientă a unei metalense de dimensiuni de centimetri care conține meta-atomi de dimensiuni nanometrice – și simularea ulterioară a acelei metalense într-un sistem optic care poate avea zeci, sute sau mii de centimetri în dimensiune – nu este deloc ușoară. Instrumentele de simulare trebuie să fie rapide, precise și robuste, precum și de natură multiscale și multiphysics.

Într-o metalensă, dimensiunea și forma meta-atomului variază lin cu poziția pentru a focaliza lumina incidentă pe lentilă. Această variație netedă permite simularea metalentilor folosind algoritmi eficienți precum analiza cuplata a undelor riguros (RCWA). Rezultatele modelării RCWA a unei metalense pot fi apoi folosite direct în instrumente pentru simularea întregului sistem optic, fie folosind propagarea Fourier sau urmărirea geometrică a razelor.

Integrarea modelului metalens în simularea întregului sistem este crucială pentru procesul de proiectare. Doar astfel, proiectantul poate înțelege modul în care metalensa va funcționa în interiorul sistemului și dacă această componentă va permite sistemului să atingă performanța necesară în dimensiunile și greutățile dorite. Pe măsură ce metalensele devin integrate în sisteme complete, devine din ce în ce mai important să se modeleze impactul stresului mecanic și al încărcării termice atât asupra performanței metalensei, cât și asupra întregului sistem optic.

Fluxul de lucru pentru proiectarea sistemelor optice îmbunătățite cu metalense urmează mai multe etape susținute de interfețe eficiente de schimb de date între instrumentele Ansys Optics. Aflați mai multe despre detalii despre fluxul de lucru pentru metalense atât la scară mică, cât și la scară mare și diferitele tehnologii de finalizare pe pagina INAS de webinarii: https://www.inas.ro/ro/new-webinar/ansys . Pentru metalensele la scară mare, sistemul poate include zeci de miliarde de meta-atomi, așa că o parte critică a fluxului de lucru este exportul eficient al structurii metalensei în format GDS pentru fabricație.

Metalensa reprezintă o tehnologie avansată și inovatoare care are potențialul de a transforma proiectarea optică pentru o gamă largă de aplicații și industrii. Proiectarea și fabricarea lor sunt atât de complicate, cât și provocatoare. Încă și mai provocator este înțelegerea modului în care metalensele se vor comporta în interiorul sistemelor optice pe care sunt destinate să le activeze. Pe măsură ce metodele de fabricație evoluează, simularea va trebui să țină pasul. Prin urmare, o arhitectură robustă de simulare multiscale și multiphysics este esențială pentru proiectarea metalenselor actuale și viitoare.

Simularea este superputerea care va debloca abilitatea noastră de a profita de această tehnologie avansată pentru mulți ani de acum înainte.

Prezentă pe piața de profil din România încă din anul 1991, INAS S.A. este astăzi furnizor principal de soluții CAD/CAM/CAE/PLM/IoT/AR și servicii conexe, pentru industria românească. Încă de la înființare, INAS s-a remarcat prin orientarea constantă către client și prin preocuparea de a introduce pe piață produse software complete și inovative care să răspundă celor mai exigente cerințe ale utilizatorilor săi.

Având și o bogată experiență practică, acumulată ca urmare a colaborărilor cu parteneri de prestigiu atât din industria românească cât și din străinătate, specialiștii INAS furnizează consultanță tehnică de specialitate în domeniul ingineresc, respectiv servicii de proiectare și analiză, pentru o gamă largă de domenii industriale, de la construcția de autovehicule și mașini grele la industria nucleară și apărare.