La tecnologia Virtual Metalens consente una maggiore flessibilità nell'imaging ad infrarossi. / Virtual Metalens Technology Makes For More Flexible Infrared Imaging

La tecnologia Virtual Metalens consente una maggiore flessibilità nell'imaging ad infrarossi. / Virtual Metalens Technology Makes For More Flexible Infrared Imaging

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La nuova tecnologia delle lenti apre la strada al passaggio da piattaforme fisiche a piattaforme virtuali nel campo delle nanotecnologie e dell'ottica.

Gli scienziati hanno scoperto una nuova tecnologia in grado di controllare la luce in modi impossibili per le lenti ed i materiali ottici tradizionali. 

Come dimostrato in un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Advanced Photonics Nexus, i ricercatori della Nottingham Trent University (NTU) hanno sviluppato un nuovo meccanismo di focalizzazione ottica, una microlente virtuale, che può essere regolata con precisione per ottenere immagini ad infrarossi (IR) di migliore qualità.

Tradizionalmente, l'imaging ad infrarossi si è basato su speciali telecamere ad infrarossi che utilizzano semiconduttori a banda proibita stretta per visualizzare le immagini. Tuttavia, queste telecamere sono limitate da tale banda proibita e quindi sono sensibili solo in determinate porzioni dell'intero spettro infrarosso.

Recentemente, i metamateriali, nello specifico le metasuperfici non lineari, sono stati studiati come un modo per "piegare" la luce e trasformare i segnali infrarossi invisibili in immagini visibili, consentendo così di effettuare riprese con le tradizionali fotocamere a luce visibile. Sebbene questo rappresenti un significativo passo avanti e possa consentire l'imaging a banda larga, queste metasuperfici fisiche, note anche come metalenti, sono intrinsecamente "fisse". Il loro funzionamento si basa su nanomateriali ingegnerizzati che, una volta incorporati nella metalente, non possono modificarne la forma.

Al contrario, la nuova microlente virtuale sviluppata dal gruppo della NTU utilizza un modulatore spaziale di luce per "regolare" efficacemente la microlente pixel per pixel, consentendo allo stesso dispositivo di svolgere molteplici funzioni. Per saperne di più sulla microlente virtuale e sul suo potenziale impatto sull'imaging ad infrarossi, nonché sui più ampi settori dell'ottica e della microscopia, Technology Networks ha intervistato l'autore dello studio, il Prof. Mohsen Rahmani, illustre professore di ottica e fotonica presso la NTU. 

Alexander Beadle (AB): Potresti spiegare meglio cosa sono le metasuperfici e le metalenti e come vengono utilizzate in ottica?

Mohsen Rahmani, PhD (MR): Le metasuperfici sono matrici di nanomateriali ingegnerizzati, spesso centinaia di volte più sottili di un capello umano. Possono replicare le funzioni di elementi ottici ingombranti come specchi e prismi, consentendo un'ulteriore miniaturizzazione di molti dei dispositivi odierni, come le fotocamere.

Inoltre, le proprietà dei nanomateriali utilizzati nelle metasuperfici possono essere regolate, entro certi limiti, mediante stimoli esterni, come l'applicazione di una tensione o la variazione di temperatura. Di conseguenza, le metasuperfici possono modulare le proprie funzioni, una capacità che i normali elementi ottici non possiedono. Ad esempio, la lunghezza focale di una lente tradizionale non può essere regolata, mentre quella di una lente a metasuperficie può essere modulata entro certi limiti. 

AB: Nel suo nuovo articolo, lei presenta una "lente metallica virtuale" per l'imaging ad infrarossi. Può spiegarci meglio cos'è questa lente metallica virtuale e come funziona?

MR: Gli stimoli esterni possono modificare solo leggermente le proprietà dei nanomateriali (all'interno delle metasuperfici). Pertanto, la possibilità di modulare le funzioni delle metasuperfici è molto limitata.

In questo articolo, introduciamo un nuovo tipo di metasuperficie che non è più costituita da nanomateriali fisici. Utilizziamo invece una pellicola sottile come mezzo e generiamo su di essa dei modelli ottici a forma di metasuperficie. Sebbene questa configurazione possa fungere da metasuperficie, tali modelli ottici possono essere sostituiti nel tempo di un battito di ciglia. Pertanto, le metasuperfici virtuali possono offrire diverse funzioni in modo quasi istantaneo. In questo modo, superiamo la limitazione della regolazione delle metasuperfici fisiche. 

Il nostro articolo illustra solo un esempio di questa capacità. Mostriamo come le metasuperfici virtuali intercambiabili non solo modifichino la frequenza (il colore) della luce, passando dall'infrarosso (invisibile all'occhio umano) alla luce visibile, ma la focalizzino anche a diverse lunghezze focali a seconda delle necessità. Questa dimostrazione di fattibilità evidenzia il potenziale di rivoluzionare il paradigma dell'imaging ad infrarossi, aprendo la strada all'integrazione di questa tecnologia nei nostri dispositivi elettronici personali. 

AB: Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di microlenti virtuali rispetto a quelle tradizionali nell'imaging a infrarossi?

MR: La luce infrarossa è invisibile all'occhio umano ma contiene informazioni preziose per la visione notturna, la diagnostica per immagini non distruttiva, il controllo di qualità di alimenti e prodotti agrochimici e la termografia.

Le telecamere ad infrarossi odierne utilizzano rivelatori a semiconduttore con bandgap specifici che assorbono determinate bande di luce infrarossa. Di conseguenza, sono complesse e costose e funzionano solo all'interno di una specifica banda IR (consentendo quindi solo determinate applicazioni). Pertanto, ad esempio, le telecamere a infrarossi utilizzate per la visione notturna non possono essere utilizzate per la diagnostica per immagini in ambito medico of agricolo, e viceversa.

Tuttavia, la piattaforma descritta nel nostro articolo funziona in modo diverso. Non è più limitata dai gap di banda dei semiconduttori. Opera tramite metasuperfici virtuali che possono facilmente controllare le frequenze di ingresso e di uscita (=colori) a qualsiasi lunghezza focale. Pertanto, un dispositivo universale può essere utilizzato per acquisire immagini di numerose bande IR, con ottiche molto più semplici ed economiche.

AB: In termini di applicazioni più ampie, come pensate che queste metasuperfici virtuali possano essere utilizzate al di fuori dei laboratori di ricerca sull'ottica?

MR: Il XIX secolo è noto come il secolo della rivoluzione nell'ingegneria meccanica, con progressi nel campo dei motori. Il XX secolo è noto come il secolo della rivoluzione nell'elettronica, con progressi nei dispositivi elettronici e nei computer. Molti considerano il XXI secolo il secolo della rivoluzione ottica, poiché nulla può eguagliare la velocità della luce o la sua capacità di trasportare informazioni.

Le metasuperfici sono considerate la spina dorsale di questa rivoluzione ottica. Le metasuperfici possono offrire numerose applicazioni nell'imaging e nella microscopia, nel calcolo ottico e quantistico, nonché nel rilevamento biochimico. Il concetto di metasuperfici virtuali, presentato nel nostro articolo, è estendibile a tutte queste applicazioni. 

AB: A seguito di questa ricerca, ci sono delle direzioni di ricerca particolarmente interessanti che le piacerebbe approfondire in futuro? 

MR: Il passaggio dalle metasuperfici fisiche a quelle virtuali (ovvero digitali) apre la strada alla piena integrazione dell'intelligenza artificiale (IA) in questo ambito.

Ormai, la comunità delle metasuperfici ha utilizzato l'intelligenza artificiale per la progettazione e la modellazione delle metasuperfici, la pre-elaborazione e/o la post-elaborazione dei dati. Tuttavia, la piattaforma di metasuperfici virtuali consente l'utilizzo dell'IA durante gli esperimenti, fornendo miglioramenti immediati nei risultati.

ENGLISH

The new lens technology paves the way for a move from physical to virtual platforms in nanotechnology and optics.

Scientists have discovered a new technology that can control light in ways that traditional lenses and optical materials can’t. 

As demonstrated in a new paper published in the journal Advanced Photonics Nexus, researchers from Nottingham Trent University (NTU) have developed a new optical focusing mechanism—a virtual metalens—that can be precisely tuned for better infrared (IR) imaging.

Traditionally, IR imaging has relied on special IR cameras that make use of narrow-bandgap semiconductors to visualize images. However, these cameras are constrained by this bandgap and so are only sensitive across certain chunks of the full IR range.

Recently, metamaterials—specifically, nonlinear metasurfaces—have been investigated as a way to “bend” light and turn invisible IR signals into visible images, allowing imaging to be done with conventional visible-light cameras. While this is a significant step forward and can enable broadband imaging, these physical metasurfaces—also known as metalenses—are inherently “fixed.” They operate using engineered nanomaterials, which, once built into the metalens, cannot change their shape.

In contrast, the new virtual metalens developed by the NTU team makes use of a spatial light modulator to effectively “tune” the metalens pixel-by-pixel, allowing the same device to perform many different functions. To learn more about the virtual metalens and the impacts this could have on infrared imaging, as well as the wider spheres of optics and microscopy, Technology Networks spoke with study author Prof. Mohsen Rahmani, a distinguished professor of optics and photonics at NTU. 

Alexander Beadle (AB): Can you expand on what metasurfaces and metalenses are and how they are used in optics?

Mohsen Rahmani, PhD (MR):Metasurfaces are arrays of engineered nanomaterials that are often hundreds of times thinner than a human hair. They can replicate the functions of bulky optical elements such as mirrors and prisms, enabling further miniaturisation of many of today’s gadgets, such as cameras.

In addition, the properties of nanomaterials used in metasurfaces can be tuned to some extent by external stimuli, such as applying a voltage or changing the temperature. As a result, metasurfaces can tune their functions, an ability that regular optical elements cannot do. For example, the focal length of a regular lens cannot be adjusted, whereas that of a metasurface lens can be tuned to some extent. 

AB: In your new paper, you present a “virtual metalens” for infrared imaging. Can you tell us more about this virtual metalens and how it functions?

MR: External stimuli can only slightly change the properties of nanomaterials (within the metasurfaces). Therefore, the tunability of metasurface functions is very limited.

In this paper, we introduce a new type of metasurface that is no longer made of physical nanomaterials. Instead, we use a thin film as a medium and generate some optical patterns in the shape of metasurfaces on it. Whilst this configuration can act as a metasurface, those optical patterns can be replaced in the time it takes to blink an eye. Therefore, virtual metasurfaces can offer distinct functions nearly instantaneously. In this way, we overcome the limitation of tuning the physical metasurfaces. 

Our paper demonstrates just one example of this capability. We show how interchangeable virtual metasurfaces not only change the frequency (color) of light from infrared (invisible to the eye) to visible light, but also focus it at distinct focal lengths on demand. Such a proof of concept demonstrates the potential to change the paradigm of IR imaging, paving the way for integrated IR imaging capability in our personal electronic devices. 

AB: What are the advantages of using virtual metalenses over traditional ones in IR imaging?

MR: IR light is invisible to the human eye but carries valuable information for night vision, non-destructive medical imaging, food and agrochemical quality control, and thermal imaging.

Today’s IR cameras use semiconductor detectors with specific bandgaps that absorb select bands of IR light. As a result, they are complex and expensive, and they work only within a specific IR band (enabling only certain applications). Therefore, for example, the IR cameras used for night vision cannot be used for medical imaging or agriculture, and vice versa.

However, the platform demonstrated in our paper works differently. It is no longer limited by semiconductor band gaps. It operates via virtual metasurfaces that can readily control the input and output frequencies (=colors) at any arbitrary focal length. So a universal device can be used to image many IR bands, with much simpler and cheaper optics.

In terms of wider applications, how do you see such virtual metasurfaces being applied outside of the optics research lab?

MR: The 19th century was known as the century of revolution in mechanical engineering, with advances in engines and motors. The 20th century was known as the century of revolution in electronics, with advances in electronic devices and computers. Many consider the 21st century the century of the optical revolution, as nothing can match the speed of light or light's capacity to carry information.

Metasurfaces are seen as the backbone of this optical revolution. Metasurfaces can offer many applications in imaging and microscopy, optical and quantum computing, as well as bio-chemical sensing. The concept of virtual metasurfaces, presented in our paper, is extendible to all these applications. 

AB: Following on from this research, are there any particularly interesting research directions you are interested in pursuing next? 

MR: The transition from physical to virtual (i.e., digital) metasurfaces opens the door to fully integrating artificial intelligence (AI) in this direction.

By now, the metasurfaces community has used AI for designing and modeling metasurfaces, pre-processing and/or data post-processing. However, the virtual metasurface platform enables the use of AI during experiments, providing instant improvements in results.

Da:

https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/articles/virtual-metalens-technology-makes-for-more-flexible-infrared-imaging-414281