加州理工學(xué)院開創(chuàng)的一項新技術(shù)允許研究人員“進化”光學(xué)設(shè)備，然后使用專用的3D打印機將其打印出來。這些設(shè)備是由所謂的光學(xué)超材料制成的，這些材料的特性來自于小到可以用納米來測量的結(jié)構(gòu)，它們可以讓相機和傳感器以以前在小尺度上不可能實現(xiàn)的方式檢測和操縱光的特性。 這項工作是在William L. Valentine應(yīng)用物理和電子工程教授Andrei Faraon的實驗室進行的，并發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。 這不是Faraon第一次開發(fā)光學(xué)超材料，但他說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：“一般來說，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。我們在這里試圖研究的是，如果我們制造出比我們試圖控制的光波長更小的三維結(jié)構(gòu)，可能會發(fā)生什么。”

作為新設(shè)計技術(shù)的演示，F(xiàn)araon的實驗室已經(jīng)制造出了一種微型裝置，可以根據(jù)波長和偏振（描述光波振動方向的一種特性）對入射光進行分類，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實驗室制造的設(shè)備可以在可見光下工作，并且足夠小，可以直接放置在相機傳感器上，將紅光引導(dǎo)到一個像素，綠光引導(dǎo)到另一個像素，藍光引導(dǎo)到第三個像素。偏振光也可以這樣做，創(chuàng)造一個可以檢測表面方向的相機，這是創(chuàng)建增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實空間的有用能力。 看一眼這些設(shè)備就會發(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實驗室開發(fā)的設(shè)備看起來很有機且混亂，更像是白蟻丘的內(nèi)部，而不是你在光學(xué)實驗室看到的東西。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：“這是因為這些設(shè)備是由一種算法進化而來的，這種算法會不斷調(diào)整它們的設(shè)計，直到它們以理想的方式運行，類似于育種如何創(chuàng)造出善于放羊的狗?！?/p>

羅伯茨說：“設(shè)計軟件的核心是一個迭代的過程，在優(yōu)化的每一步都可以選擇如何修改設(shè)備。在做了一個小的改變之后，它就會想出如何做另一個小的改變，到最后，我們最終得到了這個看起來很時髦的結(jié)構(gòu)，它在我們一開始設(shè)定的目標函數(shù)中具有很高的性能?！?/p>

Faraon補充道：“實際上，我們對這些設(shè)計并沒有一個理性的理解，因為這些設(shè)計是通過優(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點上，這基本上就是鏡頭的作用，然后運行我們對該功能的模擬，你很可能會得到與鏡頭非常相似的東西。然而，我們所瞄準的功能，以某種模式分割波長，是相當復(fù)雜的。這就是為什么出來的形狀不是很直觀的原因。” 為了將這些設(shè)計從計算機上的模型轉(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脂。它與一些業(yè)余愛好者使用的3D打印機沒有什么不同，除了它能以更高的精度硬化樹脂，允許構(gòu)建小于一微米的結(jié)構(gòu)。 Faraon說：“這項工作只是一個概念的證明，但如果再進行一些研究，它就可以用實用的制造技術(shù)制造出來?！?相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2023-07-evolving-3d-nanoscale-optical-devices.html

審核編輯：劉清