Los materiales con nuevas propiedades ópticas desarrollados en el marco del programa Extreme Optics and Imaging (EXTREME) de DARPA están proporcionando nuevas capacidades a los sistemas de imagen gubernamentales y militares.
EXTREME, un programa de investigación básica de la Oficina de Ciencias de la Defensa de DARPA, ha desarrollado con éxito nuevos componentes ópticos, dispositivos, sistemas, arquitecturas y herramientas de diseño utilizando materiales ópticos de ingeniería, o metamateriales.
Los metamateriales se componen de celdas unitarias mucho más pequeñas que la longitud de onda operativa, lo que permite una mayor manipulación de la luz. Los primeros ejemplos de metamateriales se utilizaron para diseñar y construir elementos multifuncionales que aparentemente desafiaban las «leyes» estándar de reflexión y refracción. Estos estaban limitados en eficiencia y en tamaños inferiores a un milímetro, lo que prohibía su integración en sistemas ópticos. EXTREME abordó estos retos mediante la mejora de la eficiencia de las lentes basadas en metamateriales, la ampliación de sus aperturas a escala centimétrica, el desarrollo de métodos para reducir el efecto de las aberraciones ópticas y la exploración de un nuevo espacio de diseño óptico y las compensaciones asociadas en cuanto a tamaño, peso y potencia (SWaP) que ofrecen estas metalentes.
El programa arrancó en 2016 con múltiples intérpretes que desarrollaron ópticas basadas en metamateriales a escala centimétrica (metaópticas) y herramientas para diseñarlas. El programa pronto pudo permitir una mejora revolucionaria de las características SWaP de los sistemas ópticos tradicionales, así como permitir múltiples aplicaciones de imagen a partir de una sola lente.
En 2018, DARPA se asoció con la Dirección de Investigación de la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial para trasladar los conceptos de metaóptica a los sistemas ópticos de los sistemas aéreos no tripulados (UAS). Este programa NGA Metalenses financió al Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) para el desarrollo y la caracterización de la metaóptica multicéntrica, al Laboratorio de Investigación Naval para las capacidades de imagen volumétrica de metamateriales en 3D y a los Laboratorios Nacionales de Sandia para el modelado y la optimización de metalens a gran escala.
«A través del esfuerzo de la NGA, el AFRL desarrolló capacidades únicas utilizando las tecnologías EXTREME para caracterizar el rendimiento óptico de las nuevas meta-ópticas y desarrolló nuevos conocimientos sobre cómo podrían integrarse en un sistema de imagen completo», dijo Rohith Chandrasekar, director del programa en la Oficina de Ciencias de la Defensa de DARPA. «Este trabajo también fue apoyado por la herramienta MIRAGE de Sandia, que es una capacidad primera en su tipo desarrollada bajo los programas EXTREME de DARPA y Metalenses de la NGA, que explota las simetrías para permitir el diseño y la optimización de metalens a gran escala para cumplir con las métricas de rendimiento».
Las mencionadas tecnologías EXTREME están pasando ahora de la NGA a la AFRL en el marco de su programa Seedlings for Disruptive Capabilities (SDCP). A través del SDCP, las direcciones de la AFRL se asocian con la industria para responder a las necesidades críticas de la Estrategia de Futuros de la Fuerza Aérea. Las tecnologías EXTREME están siendo empleadas en varios proyectos del SDCP: Sistemas Compactos Integrados Electro-Opticos (EO)/Infrarrojos (IR) (ICES); el vehículo aéreo experimental de combate no tripulado XQ-58 Valkyrie; y el programa de Operaciones Fuera de Tablero Lanzadas desde el Aire (ALOBO), un UAS lanzado desde un tubo.
El CIEM está aprovechando los descubrimientos realizados en el marco de EXTREME para permitir el montaje de sensores multifunción en plataformas de bajo coste, como los UAS, que se desplegarán en entornos conflictivos. Estas plataformas más pequeñas tienen limitaciones de volumen y restricciones de peso más estrictas que las plataformas heredadas, por lo que añadir un nuevo sensor suele requerir la eliminación de uno existente. La introducción de lentes metálicas compactas y ópticas planas para las capacidades EO/IR altera el espacio comercial, permitiendo potencialmente múltiples sensores en una sola plataforma, aumentando así la capacidad.
El AFRL está confiando en la tecnología EXTREME para modificar los sistemas EO/IR en dos plataformas de desarrollo: el XQ-58 y el ALOBO. En el caso del XQ-58, la AFRL pretende reducir el volumen de los sensores existentes para hacer sitio a los sensores adicionales. En el caso de ALOBO, el AFRL está modificando el sistema de cardán compatible con el lanzamiento de tubos. Los avances en óptica realizados por DARPA y NGA permiten a la AFRL realizar un nuevo espacio comercial para el cardán con una reducción de 10 veces en el SWaP manteniendo el rendimiento actual o una mejora de 4 veces en la resolución con los requisitos actuales de SWaP.
«Nuestra estrecha colaboración con DARPA y los ejecutores del programa EXTREME nos ha permitido madurar y demostrar rápidamente una nueva tecnología para sistemas ópticos, que aumenta el rendimiento de los sistemas de imágenes para abordar las necesidades futuras de los sistemas en los que la óptica convencional no puede cumplir los requisitos de rendimiento o coste», dijo Paul Fleitz, jefe del equipo ALOBO en la Dirección de Sistemas Aeroespaciales de AFRL. «La transición de esta tecnología y de las herramientas de diseño desarrolladas en el marco del programa EXTREME a los programas SDCP de la AFRL ha acelerado drásticamente el desarrollo y la demostración de esta tecnología y ha aumentado el impacto del programa de desarrollo».
EXTREME es un ejemplo crítico de una asociación exitosa entre DARPA, NGA y AFRL para proporcionar una rápida transición de la investigación básica a la tecnología de próxima generación que se puede aplicar para apoyar al combatiente.
DARPA/Octubre 30 de 2021
