據麥姆斯咨詢介紹，美國加州理工學院的研究人員開創了一種能夠使光學器件實現“進化”的新技術，然后通過專門的3D打印機可以實現制造。這些光學器件由所謂的光學超構材料制成，這種超構材料的特性源于其納米級的微小結構，能夠使相機和傳感器在小尺度上以過去無法實現的方式檢測并操縱光。

本研究器件的概念展示

這項研究成果由美國加州理工學院應用物理和電氣工程William L. Valentine教授Andrei Faraon實驗室完成，近期已經以“3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics”為題發表于Nature Communications期刊。

該研究所制造光學器件的SEM圖像，高度5 μm

這并不是Andrei Faraon教授團隊第一次開發光學超構材料，但他表示，這是其第一次將這些光學超構材料推向三維尺度。

Andrei Faraon教授介紹說：“一般來說，這類器件大多是在一層很薄的材料中制作完成的。例如，利用一塊很薄的硅或其它材料，然后對其進行加工得到想要的器件。值得注意的是，光學器件可以是三維立體的。因此，我們研究的是，如果制造出的三維超構光學器件，比我們試圖控制的光的波長更小，可能會發生什么。”

為了演示并驗證所開發的新設計，Andrei Faraon教授實驗室打造了一種微型器件，可以通過波長和偏振對入射光（本例中為紅外光）進行“分選”。

多光譜和線偏振光分選器件的制作和測量結果

盡管已有器件能夠以這種方式分離光，但Andrei Faraon教授實驗室制造的器件可以處理可見光，并且尺寸足夠小，能夠直接放置在相機的傳感器上，從而將紅光引導到一個像素，將綠光引導到另一個像素，將藍光引導到第三個像素。同樣，還可以這樣處理偏振光，構建一種可以檢測表面方向的相機，這對于創建增強現實和虛擬現實（AR/VR）空間很有用。

另外，這些器件的形貌也有些意想不到。大多數光學器件都像透鏡或棱鏡一樣平滑且光亮，但Andrei Faraon教授實驗室開發的超構光學器件看起來有些雜亂，就像蟻穴內部一樣復雜。這是因為這些器件通過一種算法演進而來，該算法不斷調整其設計，直到它們能夠以所需要的方式運行，類似于人工培育一種善于放羊的牧羊犬。

“這種設計軟件的核心是一個迭代過程。”該論文主要作者、研究生Gregory Roberts解釋說，“在優化的每一步，它都可以選擇如何修改器件。在進行一小步改變后，它會計算出如何進行下一步微調，最終，得到了這種看起來很炫的結構。并且，對于我們一開始設定的目標功能，它們表現出了很高的性能。”

Andrei Faraon教授補充稱：“事實上，對于這些設計我們沒有直觀的理解，因為這些設計是通過優化算法產生的。由此，我們會得到這些能夠執行特定功能的形狀。例如，如果我們想把光聚焦到一個點（基本上就是透鏡的功能），然后為該功能運行仿真，很可能會得到看起來與透鏡非常相似的結果。然而，我們的目標功能相當復雜，需要以某種特定模式分選不同的波長。這就是為什么最后得到的器件形狀不是那么的直觀。”

為了將這些設計從計算機模型轉化為真實器件，研究人員采用了一種被稱為雙光子聚合（TPP）光刻的3D打印技術，它可以用激光選擇性地硬化液體樹脂。這與業余愛好者使用的一些3D打印機沒有什么不同，只是它可以更精確地硬化樹脂，從而構建特征尺寸小于1微米的結構。

Andrei Faraon教授說，目前這項研究還是概念驗證，通過進一步的研究，有望利用更實際的制造技術來制造。

審核編輯：劉清