一种基于逆向设计和3D打印的“自我进化”超构光学器件

据麦姆斯咨询介绍，美国加州理工学院的研究人员开创了一种能够使光学器件实现“进化”的新技术，然后通过专门的3D打印机可以实现制造。这些光学器件由所谓的光学超构材料制成，这种超构材料的特性源于其纳米级的微小结构，能够使相机和传感器在小尺度上以过去无法实现的方式检测并操纵光。

本研究器件的概念展示

这项研究成果由美国加州理工学院应用物理和电气工程William L. Valentine教授Andrei Faraon实验室完成，近期已经以“3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics”为题发表于Nature Communications期刊。

该研究所制造光学器件的SEM图像，高度5 µm

这并不是Andrei Faraon教授团队第一次开发光学超构材料，但他表示，这是其第一次将这些光学超构材料推向三维尺度。

Andrei Faraon教授介绍说：“一般来说，这类器件大多是在一层很薄的材料中制作完成的。例如，利用一块很薄的硅或其它材料，然后对其进行加工得到想要的器件。值得注意的是，光学器件可以是三维立体的。因此，我们研究的是，如果制造出的三维超构光学器件，比我们试图控制的光的波长更小，可能会发生什么。”

为了演示并验证所开发的新设计，Andrei Faraon教授实验室打造了一种微型器件，可以通过波长和偏振对入射光（本例中为红外光）进行“分选”。

多光谱和线偏振光分选器件的制作和测量结果

尽管已有器件能够以这种方式分离光，但Andrei Faraon教授实验室制造的器件可以处理可见光，并且尺寸足够小，能够直接放置在相机的传感器上，从而将红光引导到一个像素，将绿光引导到另一个像素，将蓝光引导到第三个像素。同样，还可以这样处理偏振光，构建一种可以检测表面方向的相机，这对于创建增强现实和虚拟现实（AR/VR）空间很有用。

另外，这些器件的形貌也有些意想不到。大多数光学器件都像透镜或棱镜一样平滑且光亮，但Andrei Faraon教授实验室开发的超构光学器件看起来有些杂乱，就像蚁穴内部一样复杂。这是因为这些器件通过一种算法演进而来，该算法不断调整其设计，直到它们能够以所需要的方式运行，类似于人工培育一种善于放羊的牧羊犬。

“这种设计软件的核心是一个迭代过程。”该论文主要作者、研究生Gregory Roberts解释说，“在优化的每一步，它都可以选择如何修改器件。在进行一小步改变后，它会计算出如何进行下一步微调，最终，得到了这种看起来很炫的结构。并且，对于我们一开始设定的目标功能，它们表现出了很高的性能。”

Andrei Faraon教授补充称：“事实上，对于这些设计我们没有直观的理解，因为这些设计是通过优化算法产生的。由此，我们会得到这些能够执行特定功能的形状。例如，如果我们想把光聚焦到一个点（基本上就是透镜的功能），然后为该功能运行仿真，很可能会得到看起来与透镜非常相似的结果。然而，我们的目标功能相当复杂，需要以某种特定模式分选不同的波长。这就是为什么最后得到的器件形状不是那么的直观。”

为了将这些设计从计算机模型转化为真实器件，研究人员采用了一种被称为双光子聚合（TPP）光刻的3D打印技术，它可以用激光选择性地硬化液体树脂。这与业余爱好者使用的一些3D打印机没有什么不同，只是它可以更精确地硬化树脂，从而构建特征尺寸小于1微米的结构。

Andrei Faraon教授说，目前这项研究还是概念验证，通过进一步的研究，有望利用更实际的制造技术来制造。

审核编辑：刘清