پژوهشگران با توسعه متاسطحهای مجازی قابل برنامهریزی فناوری نوینی معرفی کردهاند که میتواند نور را در ۲۰ میلیثانیه کنترل کرده، تصاویر فروسرخ را به تصاویر مرئی تبدیل کند.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران موفق به توسعه نوع جدیدی از متاسطحهای مجازی (Virtual Metasurfaces) شدهاند که میتواند نور را به شیوهای کنترل کند که از توانایی لنزها و تجهیزات اپتیکی متداول فراتر است.
فناوری که توسط محققان دانشگاه ناتینگهام ترنت انگلیس توسعه یافته میتواند زمینه را برای گذار از متاسطحهای فیزیکی به نمونههای مجازی در فناوری نانو فراهم کرده و کاربردهای گستردهای در تصویربرداری، میکروسکوپهای پیشرفته، فوتونیک کوانتومی، مخابرات و تولید نیمهرساناها ایجاد کند.
نتایج این پژوهش در نشریه Advanced Photonics Nexus منتشر شده است.
متاسطحهای مجازی نسل جدید فناوری کنترل نور
متاسطحها ساختارهایی فوقالعاده نازک هستند که ضخامت آنها چندین برابر کمتر از قطر موی انسان است و میتوانند نور را خم کرده، متمرکز کنند، رنگ آن را تغییر دهند یا مسیر حرکت آن را کنترل کنند. به همین دلیل این فناوری قادر است جایگزین اجزای حجیم اپتیکی مانند لنزها، آینهها و فیلترها در تجهیزات کوچک شود.
با وجود مزایای فراوان متاسطحهای فیزیکی یک محدودیت اساسی دارند؛ پس از ساخت، ساختار و ویژگیهای آنها ثابت باقی میماند و امکان تغییر عملکردشان وجود ندارد. این مسئله استفاده از آنها را در بسیاری از فناوریهای پیشرفته محدود کرده است.
کنترل نور در کمتر از یک چشم بر هم زدن
پژوهشگران برای رفع این محدودیت رویکردی کاملا جدید ارائه کردهاند که در آن به جای استفاده از ذرات فیزیکی از الگوهای اپتیکی دوبعدی شبیهسازیشده روی یک سطح تخت استفاده میشود.
در این فناوری از دستگاهی به نام Spatial Light Modulator یا تعدیلکننده فضایی نور استفاده میشود؛ سامانهای که قادر است نور را بهصورت پیکسل به پیکسل کنترل کرده و شکل و عملکرد آن را در زمانی کمتر از یک چشم برهم زدن تغییر دهد.
از آنجا که این الگوها کاملا قابل برنامهریزی هستند متاسطح مجازی میتواند تنها در یک دستگاه وظایف متعددی را بهصورت لحظهای انجام دهد از جمله ترکیب رنگها، تبدیل تصاویر نامرئی فروسرخ به تصاویر قابل مشاهده یا ایفای نقش یک لنز با قابلیت تغییر سریع فاصله کانونی.
تبدیل تصاویر فروسرخ به تصاویر مرئی
محققان در این مطالعه توانستند قابلیتهای فناوری جدید را بهطور عملی به نمایش بگذارند. آنها موفق شدند سیگنالهای نامرئی فروسرخ را به تصاویر قابل مشاهده تبدیل کنند و همزمان فاصله کانونی تصاویر را نیز بهصورت دلخواه تنظیم کنند، قابلیتی که لنزها و آینههای متداول قادر به انجام همزمان آن نیستند.
این پروژه با همکاری پژوهشگرانی از دانشگاه برسیا ایتالیا و دانشگاه نانکای چین انجام شد و تیم تحقیقاتی توانست تصاویر را در فاصلههای کانونی دلخواه تولید کند.
کاهش هزینه دوربینهای مادون قرمز
یکی دیگر از دستاوردهای مهم این فناوری، سادهتر شدن تصویربرداری فروسرخ است. دوربینهای مادون قرمز امروزی معمولا به حسگرهای نیمهرسانای گرانقیمت و مجموعهای از تجهیزات اپتیکی جداگانه نیاز دارند، اما در فناوری جدید تنها با استفاده از یک الگوی نوری قابل برنامهریزی، نور فروسرخ به طول موجهای مرئی تبدیل میشود؛ در نتیجه ثبت این تصاویر با یک دوربین استاندارد نیز امکانپذیر خواهد بود که میتواند هزینه سامانههای تصویربرداری فروسرخ را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
هوش مصنوعی در خدمت متاسطحهای مجازی
پژوهشگران معتقدند استفاده از هوش مصنوعی برای برنامهریزی متاسطحهای مجازی امکان ارائه عملکردهای چندمنظوره را فراهم میکند.
به گفته آنان این فناوری میتواند مانند یک جعبهابزار مجازی شامل تمامی اجزای اپتیکی عمل کند و با تغییر نرمافزاری عملکردهای متفاوتی را بدون نیاز به ساخت تجهیزات جدید در اختیار کاربران قرار دهد.
گامی به سوی اپتیک دیجیتال
محسن رحمانی، استاد فناوری نانو، اپتیک و فوتونیک دانشگاه ناتینگهام ترنت با اشاره به نقش متاسطحها در تحول فناوری فوتونیک طی یک دهه گذشته گفت محدود بودن قابلیت تنظیم آنها تاکنون به یکی از مهمترین موانع توسعه این فناوری تبدیل شده بود.
وی متاسطحهای مجازی را یک فناوری تحولآفرین توصیف کرد و افزود: همانگونه که مفهوم متاورس نسخه دیجیتالی دنیای واقعی را ارائه میدهد، متاسطحهای مجازی نیز نسخه دیجیتال متاسطحهای فیزیکی هستند. این سامانهها میتوانند هر ۲۰ میلیثانیه یکبار شکل خود را تغییر داده و هر بار عملکرد اپتیکی کاملا متفاوتی ارائه دهند.
به نقل از برنا، لی شو، دانشیار دانشگاه ناتینگهام ترنت نیز اظهار کرد که ترکیب هوش مصنوعی با متاسطحهای مجازی ظرفیت عظیمی برای توسعه فناوریهای کاربردی در دنیای واقعی ایجاد خواهد کرد.
همچنین زه ژنگ، پژوهشگر این دانشگاه و نویسنده نخست مقاله تاکید کرد جایگزینی متاسطحهای فیزیکی با نمونههای مجازی گذار از اجزای اپتیکی آنالوگ به سامانههای دیجیتال انعطافپذیر را رقم میزند؛ رویکردی که علاوه بر افزایش قابلیت برنامهریزی و چندمنظوره بودن، محدودیتهای ساخت تجهیزات اپتیکی را کاهش داده و مسیر توسعه نسل آینده میکروسکوپها، دوربینها و سامانههای تصویربرداری را هموار میکند.