‘Evolving’ en 3D-printen van nieuwe optische apparaten op nanoschaal

Een nieuwe technologie die bij Caltech wordt gepionierd, stelt onderzoekers in staat optische apparaten te “evolueren” en ze vervolgens af te drukken met 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 worden gemeten in nanometers, 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, de William L. Valentine Professor of Applied Physics and Electrical Engineering en is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

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 zijn 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 verwerkt dat om je apparaat te krijgen”, zegt hij. “Echter, [the field of] optica leeft in een driedimensionale ruimte. Wat we hier proberen te onderzoeken, is wat er mogelijk is als we driedimensionale structuren maken die kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat we proberen te controleren.”

Als demonstratie van de nieuwe ontwerptechniek heeft het laboratorium van Faraon kleine apparaten 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, worden gemaakt om te werken met zichtbaar licht en klein genoeg om direct boven de sensor van een camera te worden geplaatst en rood licht op één pixel te richten, groen 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 nuttige mogelijkheid 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 optisch laboratorium zou zien. Dit komt omdat de apparaten zijn ontwikkeld door een algoritme dat hun ontwerp voortdurend aanpast totdat ze op de gewenste manier presteren, vergelijkbaar met hoe fokken een hond kan creëren die goed is in het hoeden van schapen, zegt Gregory Roberts, afgestudeerde student 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 uiteindelijk eindigen we met deze funky ogende structuur die goed presteert in de doelfunctie die we in het begin hebben uiteengezet.”

Faraon vult aan: “We hebben eigenlijk geen rationeel begrip van deze ontwerpen, in die zin dat dit ontwerpen zijn die tot stand komen via een optimalisatie-algoritme. Je krijgt dus deze vormen die een bepaalde functie vervullen. Als je bijvoorbeeld focus licht op een punt – dus eigenlijk wat een lens doet – en je voert onze simulatie voor die functie uit, je krijgt hoogstwaarschijnlijk iets dat erg op een lens lijkt. patroon – zijn behoorlijk gecompliceerd. Daarom zijn de vormen die eruit komen niet helemaal intuïtief. ”

Om deze ontwerpen van een model op een computer om te zetten in fysieke apparaten, maakten de onderzoekers gebruik van een soort 3D-printing die bekend staat als two-photon polymerization (TPP) lithografie, die selectief een vloeibare hars uithardt met een laser. Het is vergelijkbaar met sommige van de 3D-printers die door hobbyisten worden gebruikt, behalve dat het hars met grotere precisie uithardt, 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.