Projekt badawczy

Nadrozdzielczość ukryta w polu dalekim i przekształcenia przestrzenno-widmowe

Celem badań: jest wykazanie możliwości odtworzenia informacji o obiektach podfalowych na podstawie analizy optycznego pola dalekiego widma obrazowego po dokonaniu transformacji przestrzenno-widmowej w polu bliskim za pomocą metamateriału hiperbolicznego. Projekt ma na celu opracowanie nowych nanostruktur fotonicznych, technik pomiarowych opartych na technologii MEMS oraz algorytmów potrzebnych do nadrozdzielczej kompresyjnej mikroskopii z pomiarem pośrednim w polu dalekim. Temat jest motywowany niedawnymi osiągnięciami w trzech dziedzinach, do których wniesie wkład: i) powstaniem tzw. jednopunktowych (ang. single-pixel) optycznych pośrednich technik pomiarowych, korzystających z prostszych układów i złożonego przetwarzania danych metodami teorii oszczędnego próbkowania, ii) prac nad metamateriałami optycznymi o dyspersji hiperbolicznej zdolnymi przenosić bardzo wysokie składowe widma przestrzennego obrazu, a także zdolności nanosfer do koncentracji pola (ang. nanojets) iii) niedawnymi pracami nad obrazowaniem nadrozdzielczym z wykorzystaniem transformacji przestrzenno-częstotliwościowych. Celami szczegółowymi projektu są: i) opracowanie i przetestowanie algorytmów rekonstrukcji informacji w polu bliskim na podstawie szerokopasmowego pomiaru obrazu w polu dalekim, ii) zaprojektowanie i optymalizacja metamateriałów hiperbolicznych do realizacji transformacji przestrzenno-widmowych, iii) opracowanie nanostruktur do sprzęgania fal zanikających do propagujących się, iv) doświadczalne przeprowadzenie po raz pierwszy pomiaru pośredniego obiektu w polu dalekim z wykorzystaniem metamateriału hiperbolicznego do realizacji transformacji przestrzenno-częstotliwościowej.

Metodyka: 24-miesięczny projekt będzie realizowany na Wydziale Fizyki UW przez 6 osób, w tym dwie w pełnym czasie pracy (post-dok oraz 2 doktorantów). Tematyka projektu obejmująca teorię oszczędnego próbkowania, metamateriały optyczne, nadrozdzielczość i modelowanie elektromagnetyczne mieści się w zakresie naszego doświadczenia. Plan pracy obejmuje 5 zadań badawczych związanych z i) rozwojem spektrometrii jednopikselowej, ii) rozwojem metod pomiarowych kompresyjnego obrazowania spektralnego, iii) kształtowaniem właściwości transformacyjnych metamateriałów hiperbolicznych iv) analizą mieszania częstotliwościowo-przestrzennego, v) rozwojem metod próbkowania na potrzeby kompresyjnego obrazowania. Wykorzystywane techniki doświadczalne to: nakładanie cienkich warstw wiązką elektronową (fizyczne osadzanie z fazy gazowej), mikroskopia skaningowa do pomiaru powierzchni próbek (SEM/AFM), techniki mikroskopowe i spektrometria. Symulacje dla metamateriału będą wykorzystywały metodę różnic skończonych w czasie (FDTD) oraz częstotliwościową metodę macierzy rozpraszania, natomiast do rekonstrukcji sygnału z kompresyjnego pomiaru wykorzystamy oprogramowanie open-source do optymalizacji w sensie normy l1 oraz całkowitej wariancji (TV). Badane rodzaje próbkowania to f. Walsha-Hadamarda, szumki (ang. noiselet) oraz wykorzystujące falki Morleta.

Znaczenie projektu: Realizacja projektu ma na celu uzyskanie pierwszych wyników nadrozdzielczych wykorzystujących metamateriał hiperboliczny do realizacji transformacji przestrzenno-częstotliwościowej, z pomiarem kompresyjnym w polu dalekim. Projekt przyniesie lepsze zrozumienie transformacji przestrzenno-częstotliwościowych w rzeczywistych, niedoskonałych, absorbujących, metamateriałach hiperbolicznych. Zostanie opracowana nowa technika jednopikselowego mikroskopowego pomiaru widma obrazowego. Uzyskamy lepsze rozumienie możliwości jakie stwarza pomiar pośredni z transformacją położeniowo-widmową, co może przyczynić się do jego przyszłego wykorzystania w naukach technicznych. Zostaną opracowane lub dostosowane algorytmy do odtworzenia widma obrazowego ze zbioru rzutów na funkcje próbkujące w dziedzinie przestrzenno-widmowej dla różnych protokołów próbkowania. Zostaną opracowane, lub dostosowane, algorytmy do rekonstrukcji informacji o polu bliskim na podstawie pomiaru pola dalekiego. Najważniejsze wyniki zostaną opublikowane w międzynarodowych recenzowanych czasopismach z listy JCR i zostaną przedstawione na międzynarodowych konferencjach SPIE i IEEE. Projekt przyczyni się do poszerzenia wyposażenia Grupy o nową aparaturę pomiarową i poszerzenia tematyki prac. Wyniki wejdą w skład dwóch prac doktorskich.