Линзы по техпроцессу компьютерных чипов 🔬

📕
Последние 2 года основная моя деятельность — разработка системы, которая автоматически проектирует новый класс оптики - мета-линзы. Указываем какие рабочие параметры нас интересуют, где должен фокусироваться свет, какой материал мы хотим использовать. Не обошлось и без библиотеки машинного обучения PyTorch. На выходе - модель готовой линзы.

Мета-линзы - это развитие идей линзы Френеля и дифракционных решеток. С большой вероятностью такие линзы будут встраиваться в носимую электронику, а также они могут выполнять функцию транзистора в оптических компьютерах. Изготавливаются мета-линзы часто на кремниевых подложках. Толщина линзы может быть несколько микрон (очень маленькая). Тираж - как у компьютерных чипов: миллионы.

На картинке - идеально сфокусированная плоская волна на симуляции. Она сфокусирована математически, здесь нет никакой линзы. Дальше покажу как также могут делать мета-линзы.

🔎 Мета-линзы и их проектирование.
Часть 1

Краткая суть мета-линзы (и дифракционной оптики):
если на пути электромагнитной волны поместить объекты, сопоставимые по размеру с самой волной, то электромагнитная волна будет реагировать на эти препятствия и изменять свой путь (на самом деле — фазу).

Если эти препятствия располагаются условно случайным образом, как на первой картинке, то ничего полезного с волной не происходит (рис. 1). Но если препятствия имеют рассчитанный размер и положение, то волна может сфокусироваться или рассеяться так, как мы хотим, и там, где мы хотим (рис. 2).

Если речь идёт об одной точке фокусировки (как почти у всей оптики) или об узкой длине волны, то задача поиска формы и расположения препятствий проста: она решается прямым математическим расчётом. В этом случае мы получаем дифракционные решётки, фокусирующие дифракционные линзы (рис. 3), а также очень популярные линзы Френеля (рис. 4), которые ставят в светофоры, фонарики и автомобильные фары.

Точной классификации, что именно считать мета-линзой, не существует.
Лично я могу выделить два основных критерия:

1️⃣ Толщина линзы должна быть близка к длине волны. Для видимого света — 0,5–1 мкм, для ИК-диапазона — 5–10 мкм и тд.
2️⃣ Линза применяется и рассчитывается для расширенного, но усреднённого диапазона свойств. Без уточнения, о каких свойствах идёт речь — любых. Главное, что они рассчитаны и гарантированы.
Например: линза фокусирует три узких, удалённых друг от друга длины волны в одну точку, а все остальные в эту точку не фокусирует.

☝️ Самое главное замечание всего этого мероприятия - не нужно получать лучшие свойства на рынке. Достаточно получать предсказуемый отклик электромагнитной волны на этих линзах, такой чтобы методам пост-обработки хватало этой информации. Самая главная сила этой оптики - размер, серийность и гибкость свойств.

Ну и самый кайф уже сейчас точности 3д печати SLA может хватать для ИК диапазона мета-линз