加州理工学院的研究人员通过算法“进化”光学设备，并通过精确的3D打印技术制造，这些设备由光学超材料组成，具有纳米级结构，为增强现实和相机等应用提供了先进的光操控能力。
加州理工学院的这项突破性技术首次将光学超材料转化为完全三维结构。这些设备的独特性能来自于纳米尺度的结构，这一创新可能使相机和传感器能够在如此小的尺度上检测和操控光，这在以前是不可能的。这项研究由应用物理和电气工程的威廉·L·瓦伦丁教授Andrei Faraon领导，并发表在《自然通讯》期刊上。
作为新设计技术的演示，Faraon的实验室创建了可以按波长和偏振对入射光（本例中为红外光）进行分类的微小设备。尽管已经存在可以这样分离光的设备，但在Faraon实验室制造的设备可以用于可见光，并且足够小，可以直接放置在相机传感器上，将红光导向一个像素，绿光导向另一个像素，蓝光导向第三个像素。对于偏振光也可以做同样的事情，创造出能够检测表面方向的相机，这对于创建增强和虚拟现实空间非常有用。
这些设备的外观揭示了相当出乎意料的特点。与大多数光学设备光滑、高度抛光的镜头或棱镜不同，Faraon实验室开发的设备看起来有机而混乱，更像是白蚁巢的内部，而不是你在光学实验室中会看到的东西。这是因为这些设备是由算法进化而来的，算法不断调整它们的设计，直到它们按预期工作，类似于繁殖可能会创造出擅长牧羊的狗，该论文的主要作者、应用物理研究生Gregory Roberts说。
“设计软件的核心是一个迭代过程，”Roberts说。“它在每一步的优化中都有选择如何修改设备。在它做出一个小改变之后，它会想出如何再做一个小改变，到最后，我们最终得到了这个外观奇特但性能高的为目标功能服务的结构。”
Faraon补充说：“实际上我们对这些设计没有理性的理解，从某种意义上说，这些是通过优化算法产生的设计。所以，你会得到这些形状，它们执行某个特定功能。例如，如果你想将光聚焦到一个点——基本上就是透镜的作用——你运行我们的模拟，你很可能得到的形状看起来非常像透镜。然而，我们所针对的功能——以某种模式分离波长——相当复杂。这就是为什么最终的形状并不直观。”
为了将这些设计从计算机模型转化为物理设备，研究人员使用了一种称为双光子聚合（TPP）光刻的3D打印技术，它使用激光选择性地固化液态树脂。这与一些业余爱好者使用的3D打印机类似，只是它以更高的精度固化树脂，允许构建小于一微米的特征结构。
Faraon表示，这项工作是一个概念验证，但通过更多的研究，它可以被制造成实用的技术。
参考资料：DOI： 10.1038/s41467-023-38258-2