Een nieuwe technologie die bij Caltech wordt ontwikkeld, stelt onderzoekers in staat optische apparaten te "evolueren" en deze vervolgens af te drukken met behulp van een gespecialiseerd type 3D-printer. Deze apparaten zijn gemaakt van zogenaamde optische metamaterialen die hun eigenschappen ontlenen aan structuren die zo klein zijn dat ze in nanometers worden gemeten, en ze kunnen camera's en sensoren in staat stellen eigenschappen van licht te detecteren en te manipuleren op manieren die voorheen niet mogelijk waren op kleine schaal.

Het werk werd uitgevoerd in het laboratorium van Andrei Faraon, William L. Valentine hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Elektrotechniek, en is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Dit is niet de eerste keer dat Faraon optische metamaterialen heeft ontwikkeld, maar hij zegt dat het de eerste keer is dat deze materialen in drie dimensies worden geduwd.

"Over het algemeen worden de meeste van deze dingen gedaan in een dunne laag materiaal. Je neemt een heel dun stukje silicium of een ander materiaal en je verwerkt dat om je apparaat te krijgen", zegt hij. "[Het veld van] de optica leeft echter in een driedimensionale ruimte. Wat we hier proberen te onderzoeken is wat er mogelijk is als we driedimensionale structuren kleiner maken dan de golflengte van het licht dat we proberen te controleren."

Als demonstratie van de nieuwe ontwerptechniek heeft het laboratorium van Faraon kleine apparaatjes gemaakt die binnenkomend licht, in dit geval infrarood, kunnen sorteren op zowel golflengte als polarisatie, een eigenschap die de richting beschrijft waarin de lichtgolven trillen.

Hoewel er al apparaten bestaan ​​die licht op deze manier kunnen scheiden, kunnen de apparaten die in het laboratorium van Faraon zijn gemaakt, zo worden gemaakt dat ze met zichtbaar licht werken en klein genoeg zijn om direct boven de sensor van een camera te worden geplaatst en rood licht op één pixel, groen, te richten. licht naar een ander, en blauw licht naar een derde. Hetzelfde zou kunnen worden gedaan voor gepolariseerd licht, waardoor een camera ontstaat die de oriëntatie van oppervlakken kan detecteren, een nuttig vermogen voor het creëren van augmented en virtual reality-ruimtes.

Een blik op deze apparaten onthult iets nogal onverwachts. Terwijl de meeste optische apparaten glad en gepolijst zijn, zoals een lens of prisma, zien de apparaten die door het laboratorium van Faraon zijn ontwikkeld er organisch en chaotisch uit, meer als de binnenkant van een termietenheuvel dan iets dat je in een opticalaboratorium zou zien. Dit komt omdat de apparaten zijn geëvolueerd door een algoritme dat hun ontwerp voortdurend aanpast totdat ze op de gewenste manier presteren, vergelijkbaar met hoe fokken een hond kan opleveren die goed is in het hoeden van schapen, zegt Gregory Roberts, afgestudeerd student in de toegepaste natuurkunde en hoofdauteur van het papier.

"De ontwerpsoftware is in wezen een iteratief proces", zegt Roberts. "Het heeft bij elke stap in de optimalisatie een keuze voor hoe het apparaat moet worden aangepast. Nadat het een kleine wijziging heeft aangebracht, zoekt het uit hoe het nog een kleine wijziging kan aanbrengen, en tegen het einde eindigen we met deze funky ogende structuur dat een hoge prestatie levert in de doelfunctie die we in het begin hebben uiteengezet."

Faraon voegt hieraan toe:“We hebben eigenlijk geen rationeel begrip van deze ontwerpen, in de zin dat dit ontwerpen zijn die via een optimalisatie-algoritme worden geproduceerd. Je krijgt dus deze vormen die een bepaalde functie vervullen. Als je bijvoorbeeld wilt focus licht op een punt – dus eigenlijk wat een lens doet – en als je onze simulatie voor die functie uitvoert, krijg je hoogstwaarschijnlijk iets dat erg op een lens lijkt. De functies waarop we ons richten zijn echter het splitsen van golflengten in een bepaalde patroon – zijn behoorlijk ingewikkeld. Daarom zijn de vormen die eruit komen niet helemaal intuïtief."

Om deze ontwerpen van een model op een computer in fysieke apparaten om te zetten, maakten de onderzoekers gebruik van een type 3D-printen dat bekend staat als twee-fotonenpolymerisatie (TPP) lithografie, waarbij een vloeibare hars selectief wordt verhard met een laser. Het is niet anders dan sommige van de 3D-printers die door hobbyisten worden gebruikt, behalve dat het hars met grotere precisie hardt, waardoor structuren met kenmerken kleiner dan een micron kunnen worden gebouwd.

Faraon zegt dat het werk een proof of concept is, maar dat het met wat meer onderzoek gemaakt zou kunnen worden met een praktische productietechniek.

Meer informatie: Gregory Roberts et al., Invers ontworpen midden-infrarode meta-optica met 3D-patronen, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-38258-2

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door California Institute of Technology