加州理工學院的研究人員開發了一種突破性技術，可以”進化”光學設備，並使用專門的3D 列印機製造這些設備。 這些設備由光學金屬材料組成，從奈米級結構中獲得其獨特的性能。 這種創新可以使相機和感測器以以前不可能在如此小的尺度上探測和操縱光線。

加州理工學院的研究人員正在透過演算法改進光學設備，創造出具有先進光操縱能力的三維奈米結構。 資料來源：加州理工學院

這項研究是在應用物理和電氣工程威廉-瓦倫丁（William L. Valentine）教授安德烈-法拉昂（Andrei Faraon）的實驗室進行的，研究成果發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上。

雖然法拉昂以前曾使用過光學超材料，但這是第一次將這種材料改造成完全三維的結構。

“一般來說，這些東西大多是在一層薄薄的材料中完成的。 你只需取一片很薄的矽或其他材料，然後對其進行加工，就能得到你的設備，”法拉昂解釋道。 ” 然而，[光學領域]生活在三維空間中。我們在這裡試圖研究的是，如果我們製造的三維結構比我們試圖控制的光波長更小，會有什麼可能？”

作為新設計技術的演示，法拉昂實驗室製造出了一種微小的設備，可以根據波長和偏振（一種描述光波振動方向的特性）對進入的光（這裡指的是紅外線）進行分類。

雖然能夠以這種方式分離光的設備已經存在，但法拉昂實驗室製造的設備可以與可見光一起工作，而且體積足夠小，可以直接放在照相機的傳感器上，將紅光引向一個像素，將綠光引向另一個像素，將藍光引向第三個像素。 偏振光也可以這樣做，從而製造出一種可以檢測表面方向的相機，這對創建擴增實境和虛擬實境空間非常有用。

看一眼這些設備，你會發現一些意想不到的東西。 大多數光學設備都像透鏡或棱鏡一樣光滑鑼亮，而法拉昂實驗室開發的設備看起來有機而雜亂，更像是白蟻塚的內部結構，而不是你在光學實驗室裡看到的東西。 應用物理學研究生、論文第一作者格雷戈里-羅伯茨（Gregory Roberts）說，這是因為這些裝置是透過演算法進化而來的，演算法會不斷調整它們的設計，直到它們以理想的方式運行，就像育種可能會創造出一種擅長牧羊的狗。

羅伯茲說：”設計軟體的核心是一個迭代過程。在優化的每一步，它都可以選擇如何修改設備。做了一個小改動之後，它又會想出如何做另一個小改動，最後，我們最終得到了這個看起來很時髦的結構，但在我們一開始設定的目標功能方面卻具有很高的性能。

法拉昂補充說：”實際上，我們對這些設計並沒有理性的認識，因為這些設計是透過優化演算法產生的。 因此，得到的這些形狀可以實現某種功能。例如，如果想把光線聚焦到一個點上–基本上就是透鏡的功能–運行我們的模擬來實現這個功能，很可能會得到一個看起來與透鏡非常相似的東西。 -卻相當複雜。

為了把這些設計從電腦上的模型變成物理設備，研究人員使用了一種被稱為雙光子聚合（TPP）光刻技術的三維列印技術，這種技術用雷射選擇性地硬化液態樹脂。 它與業餘愛好者使用的某些三維印表機並無二致，只是它能以更高的精度硬化樹脂，從而製造出特徵小於一微米的結構。

法拉昂說，這項工作只是一個概念驗證，但只要多做一些研究，就可以用實用的製造技術來製造它。

編譯自/ ScitechDaily