《Nature Communications》：“进化”3D打印新型纳米级光学器件

长三角G60激光联盟 09-01 57

前言：

此时咱们对“散射元件”大约比较关注，大家都想要了解一些“散射元件”的相关知识。那么小编同时在网上收集了一些对于“散射元件””的相关内容，希望咱们能喜欢，同学们一起来了解一下吧！

长三角G60激光联盟导读

加州理工学院研究人员开创的一项新技术 “进化”光学设备，然后使用专用的3D打印机将其打印出来。这些设备是由光学超材料制成的，这些材料的特性来自于小到可以用纳米来测量的结构，它们可以让相机和传感器以之前在小尺度上不可能实现的方式检测和操纵光的特性。相关研究以“3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics”为题发表在《Nature Communications》上。

现代成像系统可以提高效率，紧凑性，并通过引入基于其基本特性的多层纳米图案结构来操纵光，从而提高应用。高透射多光谱成像是难以捉摸的，由于普遍使用滤光片阵列丢弃了大部分的入射光。此外，考虑到光学系统小型化的挑战，大多数相机不能利用偏振和空间自由度的丰富信息。光学超材料可以响应这些电磁特性，但主要是在单层几何结构中进行探索，限制了它们的性能和多功能容量。本文中，加州理工学院研究人员使用先进的双光子光刻技术来实现多层散射结构，实现高度非线性的光学变换，旨在处理光到达焦平面阵列之前的光。设计了亚微米级特征尺寸的多光谱和偏振分选装置，并在中红外进行了实验验证。模拟中显示的最终结构根据其角动量重定向光线。这些装置表明，通过精确的三维纳米图，可以直接修改传感器阵列的散射特性，从而创建先进的成像系统。

图1：设备的概念性描述。a)相机的二维截面示意图，反设计的散射元件放置在成像透镜焦平面的感光元件之上。绿色元素按颜色排序，蓝色元素按偏振排序，详见(b, c)。b)绘制多光谱和线性偏振装置，该装置对三个波段的波长进行排序，中间波段在偏振上进一步分裂。c)绘制完整的Stokes偏振仪，将四个分析仪琼斯向量分类到不同的象限。d)绘制对轨道角动量(l)和自旋自由度(s)组合进行排序的角动量分裂装置。

这不是他们第一次开发光学超材料，但这是这些材料第一次被推向三维空间。

一般来说，大多数这些东西都是在一层薄薄的材料中完成的。例如拿一块非常薄的硅或其他材料，然后加工成设备。然而，(光学领域)在三维空间中，研究人员在这里试图研究的是，如果制造出比试图控制的光波长更小的三维结构，可能会发生什么？

作为新设计技术的演示， Faraon实验室已经制造出了一种微型装置，可以根据波长和偏振(描述光波振动方向的一种特性)对入射光进行分类，在这种情况下是红外线。

虽然以这种方式分离光线的设备已经存在，但Faraon实验室制造的设备可以在可见光下工作，并且足够小，可以直接放置在相机传感器上，将红光引导到一个像素，绿光引导到另一个像素，蓝光引导到第三个像素。偏振光也可以这样做，创造一个可以检测表面方向的相机，这是创建增强现实和虚拟现实空间的有用能力。

图2:多光谱线性极化分选装置制作及测量结果。

看一眼这些设备就会发现一些意想不到的东西。虽然大多数光学设备都像透镜或棱镜一样光滑且高度抛光，但Faraon实验室开发的设备看起来更像是白蚁丘的内部，而不是在光学实验室看到的东西。因为这些设备是由一种算法进化而来的，这种算法会不断调整它们的设计，直到它们以理想的方式运行，类似于育种如何创造出善于放羊的狗。

图3:Stokes偏振仪的制作及测量结果。

设计软件的核心是一个迭代的过程，在优化的每一步都可以选择如何修改设备。在做了一个小的改变之后，它就会想出如何做另一个小的改变，到最后，最终得到了这个看起来很时髦的结构，它在一开始设定的目标函数中具有很高的性能。

图4:角动量分选装置仿真性能。

实际上，对这些设计并没有一个理性的理解，因为这些设计是通过优化算法产生的。所以，得到了这些具有特定功能的形状。例如，如果你想将光线聚焦到一个点上——这基本上就是镜头的作用——然后运行我们对该功能的模拟，你很可能会得到与镜头非常相似的东西。然而，我们所瞄准的功能——以某种模式分割波长——是相当复杂的。这也就是为什么出来的形状不是很直观的原因。

为了将这些设计从计算机上的模型转化为物理设备，研究人员使用了一种称为双光子聚合(TPP)光刻的3D打印技术，该技术可以用激光选择性地硬化液体树脂。这与一些业余爱好者使用的3D打印机没有什么不同，除了它能以更高的精度硬化树脂，可以构建小于一微米的结构。

这项工作只是一个概念的证明，但如果再进行一些研究，它就可以用实用的制造技术制造出来。