加州理工學院開創的一項新技術允許研究人員“進化”光學設備，然后使用專用的3D打印機將其打印出來。這些設備是由所謂的光學超材料制成的，這些材料的特性來自于小到可以用納米來測量的結構，它們可以讓相機和傳感器以以前在小尺度上不可能實現的方式檢測和操縱光的特性。 這項工作是在William L. Valentine應用物理和電子工程教授Andrei Faraon的實驗室進行的，并發表在《自然·通訊》雜志上。 這不是Faraon第一次開發光學超材料，但他說這是這些材料第一次被推向三維空間。

設備的概念性描述 他說：“一般來說，大多數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，然后加工成你的設備。然而，（光學領域）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構，可能會發生什么。”

作為新設計技術的演示，Faraon的實驗室已經制造出了一種微型裝置，可以根據波長和偏振（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備已經存在，但Faraon實驗室制造的設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，將紅光引導到一個像素，綠光引導到另一個像素，藍光引導到第三個像素。偏振光也可以這樣做，創造一個可以檢測表面方向的相機，這是創建增強現實和虛擬現實空間的有用能力。 看一眼這些設備就會發現一些意想不到的東西。雖然大多數光學設備都像透鏡或棱鏡一樣光滑且高度拋光，但Faraon實驗室開發的設備看起來很有機且混亂，更像是白蟻丘的內部，而不是你在光學實驗室看到的東西。該論文的主要作者、應用物理學研究生格雷戈里·羅伯茨（Gregory Roberts）說：“這是因為這些設備是由一種算法進化而來的，這種算法會不斷調整它們的設計，直到它們以理想的方式運行，類似于育種如何創造出善于放羊的狗。”

羅伯茨說：“設計軟件的核心是一個迭代的過程，在優化的每一步都可以選擇如何修改設備。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構，它在我們一開始設定的目標函數中具有很高的性能。”

Faraon補充道：“實際上，我們對這些設計并沒有一個理性的理解，因為這些設計是通過優化算法產生的。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。” 為了將這些設計從計算機上的模型轉化為物理設備，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，該技術可以用激光選擇性地硬化液體樹脂。它與一些業余愛好者使用的3D打印機沒有什么不同，除了它能以更高的精度硬化樹脂，允許構建小于一微米的結構。 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制造出來。” 相關鏈接：https://phys.org/news/2023-07-evolving-3d-nanoscale-optical-devices.html

審核編輯：劉清