加州理工学院的研究人员开发出了一种突破性技术，可以"进化"光学设备，并使用专门的 3D 打印机制造这些设备。 这些设备由光学金属材料组成，从纳米级结构中获得其独特的性能。 这种创新可以使照相机和传感器以以前不可能在如此小的尺度上探测和操纵光线。

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