加州理工学院研究人员开发出可以"进化"光学设备的突破性技术

加州理工学院的研究人员正在通过算法改进光学设备，创造出具有先进光操纵能力的三维纳米结构。 资料来源：加州理工学院

这项研究是在应用物理和电气工程威廉-瓦伦丁（William L. Valentine）教授安德烈-法拉昂（Andrei Faraon）的实验室进行的，研究成果发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

虽然法拉昂以前曾使用过光学超材料，但这是第一次将这种材料改造成完全三维的结构。

"一般来说，这些东西大多是在一层薄薄的材料中完成的。 你只需取一片很薄的硅或其他材料，然后对其进行加工，就能得到你的设备，"法拉昂解释道。"然而，[光学领域]生活在三维空间中。 我们在这里试图研究的是，如果我们制造的三维结构比我们试图控制的光波长更小，会有什么可能？"

作为新设计技术的演示，法拉昂实验室制造出了一种微小的设备，可以根据波长和偏振（一种描述光波振动方向的特性）对进入的光（这里指的是红外线）进行分类。

虽然能够以这种方式分离光的设备已经存在，但法拉昂实验室制造的设备可以与可见光一起工作，而且体积足够小，可以直接放在照相机的传感器上，将红光引向一个像素，将绿光引向另一个像素，将蓝光引向第三个像素。 偏振光也可以这样做，从而制造出一种可以检测表面方向的照相机，这对创建增强现实和虚拟现实空间非常有用。

看一眼这些设备，你会发现一些意想不到的东西。 大多数光学设备都像透镜或棱镜一样光滑锃亮，而法拉昂实验室开发的设备却看起来有机而杂乱，更像是白蚁冢的内部结构，而不是你在光学实验室里看到的东西。 应用物理学研究生、论文第一作者格雷戈里-罗伯茨（Gregory Roberts）说，这是因为这些装置是通过算法进化而来的，算法会不断调整它们的设计，直到它们以理想的方式运行，就像育种可能会创造出一种擅长牧羊的狗一样。

罗伯茨说："设计软件的核心是一个迭代过程。 在优化的每一步，它都可以选择如何修改设备。 在做了一个小改动之后，它又会想出如何做另一个小改动，最后，我们最终得到了这个看起来很时髦的结构，但在我们一开始设定的目标功能方面却具有很高的性能。"

法拉昂补充道："实际上，我们对这些设计并没有理性的认识，因为这些设计是通过优化算法产生的。 因此，得到的这些形状可以实现某种功能。 例如，如果想把光线聚焦到一个点上--基本上就是透镜的功能--运行我们的模拟来实现这个功能，很可能会得到一个看起来与透镜非常相似的东西。 然而，我们的目标功能--以某种模式分割波长--却相当复杂。 这就是为什么产生的形状不太直观的原因。"

为了把这些设计从计算机上的模型变成物理设备，研究人员使用了一种被称为双光子聚合（TPP）光刻技术的三维打印技术，这种技术用激光选择性地硬化液态树脂。 它与业余爱好者使用的某些三维打印机并无二致，只是它能以更高的精度硬化树脂，从而制造出特征小于一微米的结构。

法拉昂说，这项工作只是一个概念验证，但只要再多做一些研究，就可以用实用的制造技术来制造它。

编译自/ScitechDaily