Udvikling og 3D-print af nye optiske enheder i nanoskala

En ny teknologi, der er banebrydende hos Caltech, gør det muligt for forskere at "udvikle" optiske enheder og derefter printe dem ud ved hjælp af en specialiseret type 3D-printer. Disse enheder er lavet af såkaldte optiske metamaterialer, der får deres egenskaber fra strukturer, der er så små, at de måles i nanometer, og de kan tillade kameraer og sensorer at detektere og manipulere lysets egenskaber på måder, som ikke tidligere var mulige i små skalaer.

Arbejdet blev udført i laboratoriet af Andrei Faraon, William L. Valentine-professoren i anvendt fysik og elektroteknik og er offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

Det er ikke første gang, Faraon har udviklet optiske metamaterialer, men han siger, at det er første gang, disse materialer er blevet skubbet ind i tre dimensioner.

"Generelt udføres de fleste af disse ting i et tyndt lag materiale. Du tager et meget tyndt stykke silicium eller et andet materiale, og du behandler det for at få din enhed," siger han. "Men [feltet for] optik lever i et tredimensionelt rum. Det, vi forsøger at undersøge her, er, hvad der er muligt, hvis vi laver tredimensionelle strukturer mindre end bølgelængden af ​​lys, som vi forsøger at kontrollere."

Som en demonstration af den nye designteknik har Faraons laboratorium skabt bittesmå enheder, der kan sortere indkommende lys, i dette tilfælde infrarødt, efter både bølgelængde og polarisering, en egenskab, der beskriver retningen, hvori lysbølgerne vibrerer.

Selvom der allerede eksisterer enheder, der kan adskille lys på denne måde, kunne enhederne fremstillet i Faraons laboratorium laves til at arbejde med synligt lys og små nok til, at de kunne placeres direkte over sensoren på et kamera og rette rødt lys til én pixel, grøn lys til en anden, og blå lys til en tredje. Det samme kunne gøres for polariseret lys, hvilket skaber et kamera, der kan registrere orienteringen af ​​overflader, en nyttig evne til at skabe rum med udvidet og virtual reality.

Et blik på disse enheder afslører noget ret uventet. Mens de fleste optiske enheder er glatte og meget polerede som en linse eller prisme, ser de enheder, der er udviklet af Faraons laboratorium, organiske og kaotiske ud, mere som indersiden af ​​en termithøj end noget, du ville se i et optiklaboratorium. Dette skyldes, at enhederne er udviklet af en algoritme, der konstant justerer deres design, indtil de fungerer på den ønskede måde, svarende til hvordan avl kan skabe en hund, der er god til at hyrde får, siger Gregory Roberts, kandidatstuderende i anvendt fysik og hovedforfatter. af papiret.

"Designsoftwaren i sin kerne er en iterativ proces," siger Roberts. "Den har et valg ved hvert trin i optimeringen for, hvordan man ændrer enheden. Efter at den har foretaget en lille ændring, finder den ud af, hvordan man laver endnu en lille ændring, og til sidst ender vi med denne funky udseende struktur der har en høj ydeevne i målfunktionen, som vi satte op i begyndelsen."

Faraon tilføjer:"Vi har faktisk ikke en rationel forståelse af disse designs, i den forstand at det er designs, der er produceret via en optimeringsalgoritme. Så du får disse former, der udfører en bestemt funktion. Hvis du f.eks. vil fokusere lys til et punkt - så dybest set hvad en linse gør - og du kører vores simulering for den funktion, vil du højst sandsynligt få noget, der ligner meget en linse mønster - er ret komplicerede. Derfor er de former, der kommer ud, ikke helt intuitive."

For at omdanne disse designs fra en model på en computer til fysiske enheder, brugte forskerne en type 3D-print kendt som to-foton polymerisation (TPP) litografi, som selektivt hærder en flydende harpiks med en laser. Det er ikke ulig nogle af de 3D-printere, der bruges af hobbyfolk, bortset fra at det hærder harpiks med større præcision, hvilket gør det muligt at bygge strukturer med funktioner mindre end en mikron.

Faraon siger, at værket er et proof of concept, men at det med lidt mere forskning kunne laves med en praktisk fremstillingsteknik.

Flere oplysninger: Gregory Roberts et al., 3D-mønstret omvendt designet melleminfrarød metaoptik, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-38258-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af California Institute of Technology