Ett team ledd av forskare vid University of Washington har designat och testat ett 3-D-tryckt metamaterial som kan manipulera ljus med nanoskala precision. Som de rapporterar i en tidning publicerad 4 oktober i tidskriften Vetenskapliga framsteg , deras designade optiska element fokuserar ljus till diskreta punkter i ett 3-D spiralmönster.

Teamets designprinciper och experimentella resultat visar att det är möjligt att modellera och konstruera metamaterialenheter som exakt kan manipulera optiska fält med hög rumslig upplösning i tre dimensioner. Även om teamet valde ett spiralmönster - en spiralspiral - för deras optiska element för att fokusera ljus, deras tillvägagångssätt skulle kunna användas för att designa optiska element som styr och fokuserar ljus i andra mönster.

Enheter med denna nivå av precisionskontroll över ljus skulle kunna användas inte bara för att minimera dagens optiska element, såsom linser eller retroreflektorer, men också för att förverkliga nya sorter. Dessutom, design av optiska fält i tre dimensioner kan möjliggöra skapande av ultrakompakta djupgivare för autonom transport, samt optiska element för skärmar och sensorer i virtuella eller augmented-reality-headset.

"Den här rapporterade enheten har verkligen ingen klassisk analog i refraktiv optik - den optik som vi möter i vårt dagliga liv, "sade motsvarande författare Arka Majumdar, en UW biträdande professor i elektro- och datateknik och fysik, och fakultetsmedlem vid UW Institute for Nano-Engineered Systems och Institute for Molecular &Engineering Sciences. "Ingen har verkligen gjort en sådan här enhet tidigare med den här uppsättningen funktioner."

Laget, som inkluderar forskare vid Air Force Research Laboratory och University of Dayton Research Institute, använde ett mindre använda tillvägagångssätt inom det optiska metamaterialområdet för att designa det optiska elementet:omvänd design. Genom att använda omvänd design, de började med den typ av optisk fältprofil de ville generera – åtta fokuserade ljuspunkter i ett spiralformigt mönster – och designade en metamaterialyta som skulle skapa det mönstret.

"Vi vet inte alltid intuitivt den lämpliga strukturen för ett optiskt element med tanke på en specifik funktionalitet, ", sa Majumdar. "Det är här den omvända designen kommer in:Du låter algoritmen designa optiken."

Även om detta tillvägagångssätt verkar okomplicerat och undviker nackdelarna med trial-and-error designmetoder, invers design används inte i stor utsträckning för optiskt aktiva metamaterial med stor yta eftersom det kräver ett stort antal simuleringar, gör omvänd design beräkningsintensiv.

Här, teamet undvek denna fallgrop tack vare en insikt av Alan Zhan, huvudförfattare på tidningen, som nyligen tog examen från UW med en doktorsexamen i fysik. Zhan insåg att teamet kunde använda Mie spridningsteori för att designa det optiska elementet. Mie-spridning beskriver hur ljusvågor av en viss våglängd sprids av sfärer eller cylindrar som är lika stora som den optiska våglängden. Mie spridningsteori förklarar hur metalliska nanopartiklar i målat glas kan ge vissa kyrkfönster deras djärva färger, och hur andra målat glasartefakter ändrar färg i olika våglängder av ljus, enligt Zhan.

"Vår implementering av Mie-spridningsteorin är specifik för vissa former - sfärer - vilket innebar att vi var tvungna att införliva dessa former i designen av det optiska elementet, " sa Zhan. "Men, att förlita sig på Mie spridningsteori förenklade design- och simuleringsprocessen avsevärt eftersom vi kunde göra mycket specifika, mycket exakta beräkningar om ljusets egenskaper när det interagerar med det optiska elementet. "

Deras tillvägagångssätt kan användas för att inkludera olika geometrier som cylindrar och ellipsoider.

Det optiska elementet som teamet designade är i huvudsak en yta täckt av tusentals små sfärer av olika storlekar, arrangerad i ett periodiskt fyrkantigt galler. Att använda sfärer förenklade designen, och teamet använde en kommersiellt tillgänglig 3-D-skrivare för att tillverka två optiska prototyper – det största av de två med sidorna bara 0,02 centimeter långa – vid Washington Nanofabrication Facility på UW campus. De optiska elementen 3D-trycktes av en ultraviolett epoxi på glasytor. Ett element designades för att fokusera ljus på 1, 550 nanometer, den andra vid 3, 000 nanometer.

Forskarna visualiserade de optiska elementen under ett mikroskop för att se hur bra de presterade som de var designade - fokuserande ljus på antingen 1, 550 eller 3, 000 nanometer vid åtta specifika punkter längs ett 3-D spiralmönster. Under mikroskopet, de flesta fokuserade ljuspunkterna var på de positioner som förutspåtts av teamets teoretiska simuleringar. Till exempel, för 1, 550-nanometer våglängdsenhet, sex av åtta kontaktpunkter var i den förutsedda positionen. De återstående två visade endast mindre avvikelser.

Med den höga prestandan hos deras prototyper, teamet skulle vilja förbättra designprocessen för att minska bakgrundsljusnivåerna och förbättra noggrannheten i placeringen av fokuspunkterna, och att införliva andra designelement som är kompatibla med Mie spridningsteori.

"Nu när vi har visat att de grundläggande designprinciperna fungerar, det finns många riktningar vi kan gå med denna precisionsnivå vid tillverkning, sa Majumdar.

En särskilt lovande riktning är att gå bortom en enda yta för att skapa en verklig volym, 3D-metamaterial.

"3-D-utskrift tillåter oss att skapa en stapel av dessa ytor, vilket inte var möjligt förut, sa Majumdar.