3d打印超表面设计，可控制光场

华盛顿大学的科学家领导的一个团队设计并测试了一种3d打印的超材料，可以以纳米级的精度操纵光。他们设计的光学元件以三维螺旋模式将光聚焦到离散的点上。

该团队的设计原则和实验结果表明，建模和构建超材料器件是可能的，可以在三维空间中精确地操纵高空间分辨率的光场。尽管研究小组选择了一种螺旋图案——螺旋螺旋——作为他们的光学元件来聚焦光线，但他们的方法可以用于设计以其他图案控制和聚焦光线的光学元件。

具有这种对光的精确控制水平的设备不仅可以用于缩小今天的光学元件，如透镜或反向反射器，而且还可以实现新的品种。此外，在三维空间中设计光学场可以为自动交通工具创造超紧凑的深度传感器，以及用于虚拟现实或增强现实耳机中的显示器和传感器的光学元件。

“这个被报道的装置在折射光学中真的没有经典的模拟物——我们在日常生活中遇到的光学，”他说Arka Majumdar他是华盛顿大学电气、计算机工程和物理学的助理教授。“以前没有人真正制造出具有这种功能的设备。”

该团队包括空军研究实验室和代顿大学研究所的研究人员，他们采用了在光学超材料领域较少使用的方法来设计光学元件:逆向设计。通过逆向设计，他们从他们想要生成的光学场剖面类型开始——螺旋图案中的八个聚焦点——并设计了一种可以产生这种图案的超材料表面。

Majumdar说:“我们并不总是直观地知道给定特定功能的光学元件的适当结构。”“这就是逆向设计的用武之地:你让算法来设计光学。”

虽然这种方法看起来很简单，并且避免了试错设计方法的缺点，但逆向设计并没有广泛用于光学活性大面积超材料，因为它需要大量的模拟，使得逆向设计计算密集型。

在这里，多亏了Alan Zhan的洞察力，该团队避免了这个陷阱，Alan Zhan最近从华盛顿大学毕业，获得了物理学博士学位。詹意识到该团队可以使用Mie散射理论来设计光学元件。米氏散射描述了特定波长的光波如何被与光学波长大小相似的球体或圆柱体散射。詹教授说，Mie散射理论解释了彩色玻璃中的金属纳米颗粒如何使某些教堂窗户具有大胆的颜色，以及其他彩色玻璃制品如何在不同波长的光下改变颜色。

詹说:“我们对Mie散射理论的实施是特定于某些形状的——球体——这意味着我们必须将这些形状纳入光学元件的设计中。”“但是，依靠Mie散射理论大大简化了设计和模拟过程，因为当光与光学元件相互作用时，我们可以对光的性质进行非常具体、非常精确的计算。”

他们的方法可以用于包括不同的几何形状，如圆柱体和椭球体。该团队设计的光学元件本质上是一个表面，上面覆盖着成千上万个不同大小的微小球体，它们周期性地排列在方形晶格中。使用球体简化了设计，该团队使用市面上可以买到的3-D打印机制作了两个光学元件原型，其中较大的一个边长只有0.02厘米。光学元件是在玻璃表面用紫外线环氧树脂3d打印出来的。其中一个元件被设计成聚焦1550纳米的光，另一个聚焦3000纳米的光。

研究人员在显微镜下观察了这些光学元件，看看它们在设计时的表现如何——将1550或3000纳米的光聚焦在沿3d螺旋图案的8个特定点上。在显微镜下，大多数聚焦的光点都位于该团队理论模拟预测的位置。例如，对于波长为1550nm的器件，8个焦点中有6个位于预测位置。剩下的两个只显示出轻微的偏差。

由于原型的高性能，该团队希望改进设计过程，以减少背景光水平，提高焦点放置的准确性，并纳入与Mie散射理论兼容的其他设计元素。

马宗达尔说:“现在我们已经证明了基本的设计原则是可行的，在这种精度的制造水平上，我们有很多方向可以走。”

一个特别有前途的方向是超越单一表面，创造出真正体积的三维超材料。马宗达尔说:“3d打印允许我们创建一堆这样的表面，这在以前是不可能的。”

华盛顿大学

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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