加州理工学院的新型光学设备由算法进化而来，并通过精确的3D打印制作而成，为增强现实和相机等应用提供了先进的光操纵。

加州理工学院的研究人员开发了一项突破性的技术，可以“进化”光学设备，并使用专门的3D打印机制造它们。这些由光学超材料组成的器件从纳米级结构中获得了独特的性能。这项创新可以使相机和传感器以以前在如此小的尺度上不可能的方式检测和操纵光线。

这项研究是在William L. Valentine应用物理和电子工程教授Andrei Faraon的实验室进行的，并发表在《自然通讯》杂志上。

进入三维空间

虽然Faraon之前已经研究过光学超材料，但这标志着这种材料第一次被适应为完全的三维结构。

“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。你拿一块很薄的硅或其他材料，然后加工成你的设备，”Faraon解释说。“然而，（光学领域）生活在三维空间中。我们在这里试图研究的是，如果我们制造出比我们试图控制的光波长更小的三维结构，可能会发生什么。”

按波长和偏振分选光

作为新设计技术的演示，Faraon的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。

意想不到的有机设计

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很有机且混乱，更像是白蚁丘的内部，而不是你在光学实验室看到的东西。该论文的主要作者、应用物理学研究生格雷戈里·罗伯茨（Gregory Roberts）说，这是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。

优化算法和“进化”设计

“设计软件的核心是一个迭代的过程，”罗伯茨说。“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，我们最终得到了这个看起来很时髦的结构，它在我们一开始设定的目标函数中具有很高的性能。”

Faraon补充道：“实际上，我们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，你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。这就是为什么出来的形状不是很直观的原因。”

用TPP光刻技术从模型到物理设备

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。它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，允许构建小于一微米的结构。

Faraon说，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。

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