新的超表面设计可以在三个维度上控制光场–折射光学中没有经典的模拟产品

光学元件表面的扫描电子显微图像。

由华盛顿大学科学家领导的团队设计并测试了3D打印超材料，该材料可以纳米级的精度操纵光。正如他们在2019年10月4日发表在《科学进展》杂志上的论文中所报道的那样，他们设计的光学元件将光聚焦到3D螺旋形图案中的离散点上。

该小组的设计原则和实验结果表明，可以建模和构造超材料设备，这些设备可以在三个维度上以高空间分辨率精确地操纵光场。尽管该团队选择了一种螺旋图案-螺旋螺旋-来使光学元件聚焦光线，但他们的方法仍可用于设计以其他样式控制和聚焦光线的光学元件。

具有这种对光进行精确控制的设备，不仅可以用于使当今的光学元件（例如透镜或后向反射镜）小型化，还可以用于实现新的品种。另外，在三个维度上设计光场可以实现用于自动运输的超紧凑深度传感器的创建，以及用于虚拟现实或增强现实头戴设备中的显示器和传感器的光学元件的创建。

威斯康星大学电子与计算机工程与物理学助理教授，美国科学院大学教授，通讯作者，作者Arka Majumdar说：“该报告的设备确实在折射光学方面没有经典的模拟物-我们在日常生活中遇到的光学元件。”威斯康星大学纳米工程系统研究所和分子与工程科学研究所。“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，在光学超材料领域采用了一种较少使用的方法来设计光学元件：逆向设计。他们采用逆向设计，从要生成的光场轮廓的类型开始（螺旋形图案中的八个聚焦光点），并设计了将创建该图案的超材料表面。

“在给定特定功能的情况下，我们并不总是凭直觉就知道光学元件的适当结构，” Majumdar说。“这就是逆向设计的用武之地：您让算法来设计光学器件。”

这些图像显示了1,550纳米光学元件的性能。图像是在光学元件表面上方约185微米处出现的光场的光强曲线。左侧是模拟的光强度曲线，可预测光学元件的性能。注意靠近图像中心的光的焦点。右边是光学元件的实际光强度曲线，表明该设备确实在预测位置产生了光的焦点。研究人员设计了该元件，以将光聚焦在元件表面上方不同距离处的八个这样的点上。比例尺为10微米。

尽管这种方法看起来很简单，并且避免了反复试验设计方法的弊端，但是逆设计并未广泛用于光学有源大面积超材料，因为它需要进行大量的模拟，从而使逆设计的计算量很大。

在这里，由于论文的主要作者艾伦·詹（Alan Zhan）的见识而使团队避免了这一陷阱，他最近在华盛顿大学获得了物理学博士学位。詹意识到团队可以使用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大小与光学波长相似的球体或圆柱体散射。詹说，三重散射理论解释了彩色玻璃中的金属纳米颗粒如何赋予教堂的某些窗户大胆的颜色，以及其他彩色玻璃制品在不同波长的光下如何改变颜色。

詹说：“我们对米氏散射理论的实现是特定于某些形状（球体）的，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，依靠米氏散射理论，大大简化了设计和仿真过程，因为我们可以对光与光学元件相互作用时的特性进行非常具体，非常精确的计算。”

他们的方法可以被用来包括不同的几何形状，例如圆柱体和椭圆体。

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，并排列成周期性的方格。使用球体简化了设计，该团队使用一台可商购的3D打印机在西澳大学校园的华盛顿纳米制造工厂制造了两个光学原型光学元件，其中两个较大的光学元件的边长只有0.02厘米。光学元件是用紫外线环氧树脂在玻璃表面上进行3D打印的。一个元件被设计为将光聚焦在1,550纳米处，另一个元件将其聚焦在3,000纳米处。

研究人员在显微镜下观察了光学元件，以观察它们的设计效果如何-将1,550或3,000纳米的光聚焦在沿着3D螺旋图案的八个特定点上。在显微镜下，最聚焦的点位于该团队的理论模拟所预测的位置。例如，对于1,550纳米波长的设备，八个焦点中的六个处于预测位置。其余两个仅显示较小的偏差。

凭借其原型的高性能，该团队希望改进设计过程以减少光线的背景水平并提高焦点放置的准确性，并结合其他与Mie散射理论兼容的设计元素。

“现在，我们已经展示了基本的设计原理，而在如此精确的制造水平下，我们可以提供很多指导，” Majumdar说。

一个特别有希望的方向是超越单一表面来创建真实体积的3D超材料。

“ 3D打印使我们能够创建这些表面的堆叠，这在以前是不可能的，” Majumdar说。

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共同作者是美国空军研究实验室的Ricky Gibson和代顿大学研究所；空军研究实验室的埃文·史密斯（Evan Smith）和约书亚·亨德里克森（Joshua Hendrickson）；詹姆斯·怀特黑德（James Whitehead），威斯康星大学电气与计算机工程系的一名博士研究生。该研究由美国国家科学基金会，空军科学研究所，三星，UW现实实验室，Facebook，谷歌和华为提供资金。

参考：艾伦·詹（Alan Zhan），里奇·吉布森（Ricky Gibson），詹姆斯·怀特海德（James Whitehead），埃文·史密斯（Evan Smith），约书亚·亨德里克森（Joshua R.Hendrickson）和阿卡·马朱马尔（Arka Majumdar），“通过逆Mie散射控制三维光学场”，科学进展。DOI：2019年10月4日，DOI：
10.1126 / sciadv.aax4769