تصویر مفهومی از یک صفحه فضایی که در بازه گسترده ای از طول موج ها فاصله کانونی شدن نور را کاهش می دهد

مهندسانی که روی کوچک کردن سیستم‌های نوری برای الکترونیک مدرن کار می‌کنند، در بحث آشناترین اجزا یعنی عدسی ها و حسگرهای نوری، موفقیت های بزرگی داشته اند. اما کاهش اندازه جزء سوم یک سیستم نوری، یعنی فضای آزاد بین عدسی و حسگر مورد نیاز برای کانونی شدن (focus) امواج نور، چالش برانگیزتر بوده است.

محققان در حال توسعه فناوری برای جایگزینی بخشی یا تمام این فضای آزاد با وسیله ای نازک و شفاف به نام صفحه فضایی (spaceplate) بوده اند. اکنون، پژوهشگران دانشگاه کرنل به سرپرستی دانشجوی دکتری کونال شاستری Kunal Shastri و استادیار فرانسیسکو مونتیکونه Francesco Monticone در کنار همکارانشان برای اولین بار محدودیت های بنیادی و عملی صفحات فضایی را در مقاله ای که در مجله Optica با عنوان "فضا تا چه اندازه می تواند فشرده شود؟ محدودیت های پهنای باندِ صفحات فضایی" چاپ شده است، تعریف کردند.

شاستری در مقاله توضیح داده است که: «در تلاش برای کوچک‌سازی سیستم‌های نوری، جنبه‌ای که اغلب نادیده گرفته می‌شود حجم فضای آزاد بزرگ بین آشکارساز و عدسی یا بین عدسی هاست که برای مجال دادن به نور برای کسب یک فاز وابسته به فاصله و وابسته به زاویه و مثلاً کانونی شدن در یک فاصله معین ضروری است».

طول فضای آزاد پشت عدسی برای توانایی عدسی در کانونی کردن تصویر بر روی حسگر یا روی فیلم مانند دوره قبل از دوربین‌های دیجیتال، بسیار مهم است. فضای آزاد به امواج نوری که از جهات مختلف پس از عدسی می آیند اجازه انتشار و گرفتن فاز کافی جهت همگرا شدن در نقطه کانونی یعنی حسگر را می دهد. این یکی از دلایلی است که چرا عدسی های دوربین طراحی شده برای متمرکز کردن و بزرگنمایی سوژه های دور، به عنوان مثال عدسی های تله فوتو، اینقدر بلند هستند. صفحات فضایی برای تقلید پاسخ فاز نوری فضای آزاد در طول بسیار کمتر طراحی شده اند.

مونتیکونه که با دانشجوی سابق دکتری اوبو چن Aobo Chen کار می‌کند، قبلاً از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای برای طراحی صفحات فضایی مقیاس‌پذیر و نشان دادن نحوه عملکرد آنها در یک سیستم نوری استفاده کرده بود. این کار جدید با تعریف محدودیت‌های توانایی یک صفحه فضایی جهت به حداکثر رساندن سه پارامتر نوری بنیادی: نسبت تراکم، دریچه عددی و پهنای باند، تعمیمی از پژوهش قبلی است.

مونتیکونه توضیح می دهد: "رسیدن به این سه هدف به طور همزمان بسیار پیچیده است، داشتن حداکثر نسبت فشرده سازی و در عین حال به حداکثر رساندن دریچه عددی و پهنای باند. در این مقاله ما سعی داریم ساز و کار فیزیکی کلی در پشت هر اثر فشرده سازی فضا را صرف نظر از نحوه اجرایی صفحه فضایی، روشن کنیم."

تحقیقات قبلی در مورد فناوری صفحات فضایی، طرح‌های کاربردی اما غیرعملی یا ناکارآمدی را نشان می‌داد که فقط برای یک تک رنگ یا برای بازه کوچکی از زوایای مختلف کار می‌کردند یا لازم بود در ماده‌ای با ضریب شکست بالا مانند روغن غوطه‌ور شوند. این دستگاه ها را نمی توان برای کوچک سازی سیستم های نوری معمولی استفاده کرد.

شاستری می گوید: "علاقه زیادی به دانستن اینکه آیا صفحات فضایی برای کل طیف مرئی نور و در فضای آزاد کار می کنند وجود دارد، و هیچ کس مطمئن نبود که بتوانیم این کار را انجام دهیم." بنابراین ما واقعاً می‌خواستیم ببینیم که آیا محدودیت‌های فیزیکی وجود دارد که مانع از کارکرد صفحات فضایی برای دوربین‌های واقعی در کل پهنای باند مرئی شود یا خیر".

او توضیح می دهد که مرزهایی که آنها در این مقاله جدید منتشر شده تعریف می کنند، به سایر مهندسان شاغل در این زمینه نشان می دهد که چقدر به محدودیت های اساسی جهانی دستگاه های صفحه فضایی که در حال طراحی هستند، دور یا نزدیک هستند. به گفته شاستری: "و به نظر من این بسیار ارزشمند است. به همین دلیل است که ما این مقاله را نوشتیم ".

مونتیکونه گفت: «در ساده‌ترین اجرای ممکن، می‌توان یک صفحه فضایی را به صورت دسته ای از لایه‌ها ساخت و لایه‌ها حداقل دو ضریب شکست متفاوت داشته باشند. با بهینه‌سازی ضخامت و فاصله، می‌توان پاسخ نوری را بهینه کرد. "

کاربردهای فناوری صفحات فضایی به دوربین ها محدود نمی شود. صفحات فضایی می توانند پروژکتورها، تلسکوپ ها، حتی آنتن ها را با استفاده از طیف وسیع تری از طیف الکترومغناطیسی کوچک کنند. مونتیکونه و شاستری مشتاق هستند تا از مدل‌های رایانه‌ای که استفاده کرده‌اند فراتر بروند و آزمایش‌های فیزیکی را با صفحات فضایی ساخته شده طراحی کنند.

مونتیکونه گفت: «گام بعدی نمایش تجربی یک صفحه فضایی خواهد بود که در فضای آزاد در فرکانس‌های نوری کار می‌کند. "با استفاده از روش‌های طراحی محاسباتی، ما به دنبال بهینه‌سازی صفحات فضایی خواهیم بود که تا آنجا که امکان دارد نزدیک به محدودیت های بنیادی ما کار کنند. شاید بتوانیم یک عدسی تخت و یک صفحه فضایی را در یک دستگاه ترکیب کنیم و سیستم‌های نوری بسیار نازک، یکپارچه و مسطح را برای انواعی از کاربردها به وجود بیاوریم.

منبع:

Study finds ultimate limits of spaceplates in optical systems

ترجمه خبر: شهره کرمی