En ny teknik som pionjärer på Caltech gör det möjligt för forskare att "utveckla" optiska enheter och sedan skriva ut dem med en specialiserad typ av 3D-skrivare. Dessa enheter är gjorda av så kallade optiska metamaterial som får sina egenskaper från strukturer som är så små att de mäts i nanometer, och de kan tillåta kameror och sensorer att upptäcka och manipulera ljusets egenskaper på sätt som tidigare inte varit möjliga i små skalor.

Arbetet utfördes i labbet av Andrei Faraon, William L. Valentine professor i tillämpad fysik och elektroteknik och publiceras i tidskriften Nature Communications .

Det är inte första gången Faraon har utvecklat optiska metamaterial, men han säger att det är första gången dessa material har pressats in i tre dimensioner.

"I allmänhet görs de flesta av dessa saker i ett tunt lager av material. Du tar en mycket tunn bit kisel eller något annat material och du bearbetar det för att få din enhet", säger han. "Men [området för] optik lever i ett tredimensionellt utrymme. Det vi försöker undersöka här är vad som är möjligt om vi gör tredimensionella strukturer mindre än ljusets våglängd som vi försöker kontrollera."

Som en demonstration av den nya designtekniken har Faraons labb skapat små enheter som kan sortera inkommande ljus, i det här fallet infrarött, efter både våglängd och polarisation, en egenskap som beskriver i vilken riktning ljusvågorna vibrerar.

Även om enheter som kan separera ljus på detta sätt redan finns, kan enheterna som tillverkats i Faraons labb göras för att fungera med synligt ljus och tillräckligt små för att de skulle kunna placeras direkt över sensorn på en kamera och rikta rött ljus till en pixel, grön ljus till en annan och blått ljus till en tredje. Detsamma kan göras för polariserat ljus, skapa en kamera som kan upptäcka orienteringen av ytor, en användbar förmåga för att skapa förstärkta och virtuella verklighetsutrymmen.

En blick på dessa enheter avslöjar något ganska oväntat. Medan de flesta optiska enheter är släta och mycket polerade som en lins eller prisma, ser enheterna som utvecklats av Faraons labb organiska och kaotiska ut, mer som insidan av en termithög än något du skulle se i ett optiklabb. Detta beror på att enheterna utvecklas av en algoritm som kontinuerligt justerar sin design tills de presterar på önskat sätt, liknande hur avel kan skapa en hund som är bra på att valla får, säger Gregory Roberts, doktorand i tillämpad fysik och huvudförfattare. av tidningen.

"Designmjukvaran i dess kärna är en iterativ process", säger Roberts. "Den har ett val vid varje steg i optimeringen för hur den ska modifiera enheten. Efter att den har gjort en liten förändring, kommer den på hur den ska göra en annan liten förändring, och i slutändan får vi den här snygga strukturen som har en hög prestanda i målfunktionen som vi satte upp i början."

Faraon tillägger, "Vi har faktiskt inte en rationell förståelse av dessa mönster, i den meningen att dessa är mönster som produceras via en optimeringsalgoritm. Så du får dessa former som utför en viss funktion. Till exempel, om du vill fokusera ljus till en punkt - så i princip vad en lins gör - och du kör vår simulering för den funktionen, kommer du troligtvis att få något som liknar en lins. Men de funktioner som vi riktar in oss på - dela våglängder i en viss mönster – är ganska komplicerade. Det är därför formerna som kommer ut inte är helt intuitiva."

För att förvandla dessa mönster från en modell på en dator till fysiska enheter använde forskarna en typ av 3D-utskrift som kallas två-fotonpolymerisation (TPP) litografi, som selektivt härdar ett flytande harts med en laser. Det är inte olik några av de 3D-skrivare som används av hobbyister, förutom att den härdar harts med större precision, vilket gör att strukturer med funktioner som är mindre än en mikron kan byggas.

Faraon säger att arbetet är ett proof of concept men att det med lite mer forskning skulle kunna göras med en praktisk tillverkningsteknik.

Mer information: Gregory Roberts et al, 3D-mönstrad inversdesignad mellaninfraröd metaoptik, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-38258-2

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av California Institute of Technology