一種基于逆向設(shè)計(jì)和3D打印的“自我進(jìn)化”超構(gòu)光學(xué)器件

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國(guó)加州理工學(xué)院的研究人員開創(chuàng)了一種能夠使光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)“進(jìn)化”的新技術(shù)，然后通過專門的3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)制造。這些光學(xué)器件由所謂的光學(xué)超構(gòu)材料制成，這種超構(gòu)材料的特性源于其納米級(jí)的微小結(jié)構(gòu)，能夠使相機(jī)和傳感器在小尺度上以過去無法實(shí)現(xiàn)的方式檢測(cè)并操縱光。

本研究器件的概念展示

這項(xiàng)研究成果由美國(guó)加州理工學(xué)院應(yīng)用物理和電氣工程William L. Valentine教授Andrei Faraon實(shí)驗(yàn)室完成，近期已經(jīng)以“3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。

該研究所制造光學(xué)器件的SEM圖像，高度5 μm

這并不是Andrei Faraon教授團(tuán)隊(duì)第一次開發(fā)光學(xué)超構(gòu)材料，但他表示，這是其第一次將這些光學(xué)超構(gòu)材料推向三維尺度。

Andrei Faraon教授介紹說：“一般來說，這類器件大多是在一層很薄的材料中制作完成的。例如，利用一塊很薄的硅或其它材料，然后對(duì)其進(jìn)行加工得到想要的器件。值得注意的是，光學(xué)器件可以是三維立體的。因此，我們研究的是，如果制造出的三維超構(gòu)光學(xué)器件，比我們?cè)噲D控制的光的波長(zhǎng)更小，可能會(huì)發(fā)生什么?！?/p>

為了演示并驗(yàn)證所開發(fā)的新設(shè)計(jì)，Andrei Faraon教授實(shí)驗(yàn)室打造了一種微型器件，可以通過波長(zhǎng)和偏振對(duì)入射光（本例中為紅外光）進(jìn)行“分選”。

多光譜和線偏振光分選器件的制作和測(cè)量結(jié)果

盡管已有器件能夠以這種方式分離光，但Andrei Faraon教授實(shí)驗(yàn)室制造的器件可以處理可見光，并且尺寸足夠小，能夠直接放置在相機(jī)的傳感器上，從而將紅光引導(dǎo)到一個(gè)像素，將綠光引導(dǎo)到另一個(gè)像素，將藍(lán)光引導(dǎo)到第三個(gè)像素。同樣，還可以這樣處理偏振光，構(gòu)建一種可以檢測(cè)表面方向的相機(jī)，這對(duì)于創(chuàng)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）空間很有用。

另外，這些器件的形貌也有些意想不到。大多數(shù)光學(xué)器件都像透鏡或棱鏡一樣平滑且光亮，但Andrei Faraon教授實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的超構(gòu)光學(xué)器件看起來有些雜亂，就像蟻穴內(nèi)部一樣復(fù)雜。這是因?yàn)檫@些器件通過一種算法演進(jìn)而來，該算法不斷調(diào)整其設(shè)計(jì)，直到它們能夠以所需要的方式運(yùn)行，類似于人工培育一種善于放羊的牧羊犬。

“這種設(shè)計(jì)軟件的核心是一個(gè)迭代過程?！痹撜撐闹饕髡?、研究生Gregory Roberts解釋說，“在優(yōu)化的每一步，它都可以選擇如何修改器件。在進(jìn)行一小步改變后，它會(huì)計(jì)算出如何進(jìn)行下一步微調(diào)，最終，得到了這種看起來很炫的結(jié)構(gòu)。并且，對(duì)于我們一開始設(shè)定的目標(biāo)功能，它們表現(xiàn)出了很高的性能?！?/p>

Andrei Faraon教授補(bǔ)充稱：“事實(shí)上，對(duì)于這些設(shè)計(jì)我們沒有直觀的理解，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)是通過優(yōu)化算法產(chǎn)生的。由此，我們會(huì)得到這些能夠執(zhí)行特定功能的形狀。例如，如果我們想把光聚焦到一個(gè)點(diǎn)（基本上就是透鏡的功能），然后為該功能運(yùn)行仿真，很可能會(huì)得到看起來與透鏡非常相似的結(jié)果。然而，我們的目標(biāo)功能相當(dāng)復(fù)雜，需要以某種特定模式分選不同的波長(zhǎng)。這就是為什么最后得到的器件形狀不是那么的直觀?！?/p>

為了將這些設(shè)計(jì)從計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)化為真實(shí)器件，研究人員采用了一種被稱為雙光子聚合（TPP）光刻的3D打印技術(shù)，它可以用激光選擇性地硬化液體樹脂。這與業(yè)余愛好者使用的一些3D打印機(jī)沒有什么不同，只是它可以更精確地硬化樹脂，從而構(gòu)建特征尺寸小于1微米的結(jié)構(gòu)。

Andrei Faraon教授說，目前這項(xiàng)研究還是概念驗(yàn)證，通過進(jìn)一步的研究，有望利用更實(shí)際的制造技術(shù)來制造。

審核編輯：劉清