“進(jìn)化”和3D打印新型納米級(jí)光學(xué)器件檢測(cè)和操縱光的特性

加州理工學(xué)院開(kāi)創(chuàng)的一項(xiàng)新技術(shù)允許研究人員“進(jìn)化”光學(xué)設(shè)備，然后使用專用的3D打印機(jī)將其打印出來(lái)。這些設(shè)備是由所謂的光學(xué)超材料制成的，這些材料的特性來(lái)自于小到可以用納米來(lái)測(cè)量的結(jié)構(gòu)，它們可以讓相機(jī)和傳感器以以前在小尺度上不可能實(shí)現(xiàn)的方式檢測(cè)和操縱光的特性。 這項(xiàng)工作是在William L. Valentine應(yīng)用物理和電子工程教授Andrei Faraon的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，并發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。 這不是Faraon第一次開(kāi)發(fā)光學(xué)超材料，但他說(shuō)這是這些材料第一次被推向三維空間。

設(shè)備的概念性描述 他說(shuō)：“一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)這些東西都是在一層薄薄的材料中完成的。你拿一塊非常薄的硅或其他材料，然后加工成你的設(shè)備。然而，（光學(xué)領(lǐng)域）生活在三維空間中。我們?cè)谶@里試圖研究的是，如果我們制造出比我們?cè)噲D控制的光波長(zhǎng)更小的三維結(jié)構(gòu)，可能會(huì)發(fā)生什么?！?/p>

作為新設(shè)計(jì)技術(shù)的演示，F(xiàn)araon的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制造出了一種微型裝置，可以根據(jù)波長(zhǎng)和偏振（描述光波振動(dòng)方向的一種特性）對(duì)入射光進(jìn)行分類，在這種情況下是紅外線。

雖然以這種方式分離光線的設(shè)備已經(jīng)存在，但Faraon實(shí)驗(yàn)室制造的設(shè)備可以在可見(jiàn)光下工作，并且足夠小，可以直接放置在相機(jī)傳感器上，將紅光引導(dǎo)到一個(gè)像素，綠光引導(dǎo)到另一個(gè)像素，藍(lán)光引導(dǎo)到第三個(gè)像素。偏振光也可以這樣做，創(chuàng)造一個(gè)可以檢測(cè)表面方向的相機(jī)，這是創(chuàng)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)空間的有用能力。 看一眼這些設(shè)備就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些意想不到的東西。雖然大多數(shù)光學(xué)設(shè)備都像透鏡或棱鏡一樣光滑且高度拋光，但Faraon實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的設(shè)備看起來(lái)很有機(jī)且混亂，更像是白蟻丘的內(nèi)部，而不是你在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室看到的東西。該論文的主要作者、應(yīng)用物理學(xué)研究生格雷戈里·羅伯茨（Gregory Roberts）說(shuō)：“這是因?yàn)檫@些設(shè)備是由一種算法進(jìn)化而來(lái)的，這種算法會(huì)不斷調(diào)整它們的設(shè)計(jì)，直到它們以理想的方式運(yùn)行，類似于育種如何創(chuàng)造出善于放羊的狗。”

羅伯茨說(shuō)：“設(shè)計(jì)軟件的核心是一個(gè)迭代的過(guò)程，在優(yōu)化的每一步都可以選擇如何修改設(shè)備。在做了一個(gè)小的改變之后，它就會(huì)想出如何做另一個(gè)小的改變，到最后，我們最終得到了這個(gè)看起來(lái)很時(shí)髦的結(jié)構(gòu)，它在我們一開(kāi)始設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)中具有很高的性能。”

Faraon補(bǔ)充道：“實(shí)際上，我們對(duì)這些設(shè)計(jì)并沒(méi)有一個(gè)理性的理解，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)是通過(guò)優(yōu)化算法產(chǎn)生的。所以，你得到了這些具有特定功能的形狀。例如，如果你想將光線聚焦到一個(gè)點(diǎn)上，這基本上就是鏡頭的作用，然后運(yùn)行我們對(duì)該功能的模擬，你很可能會(huì)得到與鏡頭非常相似的東西。然而，我們所瞄準(zhǔn)的功能，以某種模式分割波長(zhǎng)，是相當(dāng)復(fù)雜的。這就是為什么出來(lái)的形狀不是很直觀的原因?！? 為了將這些設(shè)計(jì)從計(jì)算機(jī)上的模型轉(zhuǎn)化為物理設(shè)備，研究人員使用了一種稱為雙光子聚合（TPP）光刻的3D打印技術(shù)，該技術(shù)可以用激光選擇性地硬化液體樹(shù)脂。它與一些業(yè)余愛(ài)好者使用的3D打印機(jī)沒(méi)有什么不同，除了它能以更高的精度硬化樹(shù)脂，允許構(gòu)建小于一微米的結(jié)構(gòu)。 Faraon說(shuō)：“這項(xiàng)工作只是一個(gè)概念的證明，但如果再進(jìn)行一些研究，它就可以用實(shí)用的制造技術(shù)制造出來(lái)?！?相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2023-07-evolving-3d-nanoscale-optical-devices.html

審核編輯：劉清