Merevolusi Kontrol Cahaya: Perangkat Optik Cetak 3D Caltech yang Menakjubkan

Perangkat optik baru Caltech, yang dikembangkan oleh algoritma dan dibuat melalui pencetakan 3D yang presisi, menawarkan manipulasi cahaya tingkat lanjut untuk aplikasi seperti augmented reality dan kamera.

Para peneliti di Caltech telah mengembangkan teknologi inovatif yang “mengevolusikan” perangkat optik dan membuatnya menggunakan printer 3D khusus. Perangkat ini, terdiri dari optik[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>metamaterials, gain their unique properties from nanometer-scale structures. This innovation could enable cameras and sensors to detect and manipulate light in ways previously impossible at such small scales.

The research was conducted in the lab of Andrei Faraon, the William L. Valentine Professor of Applied Physics and Electrical Engineering and was published in the journal Nature Communications.

Breaking Into Three Dimensions

While Faraon has worked with optical metamaterials before, this marks the first time the materials have been adapted into fully three-dimensional structures.

“Generally, most of these things are done in a thin layer of material. You take a very thin piece of silicon or some other material and you process that to get your device,” Faraon explains. “However, [the field of] optik hidup dalam ruang tiga dimensi. Apa yang kami coba selidiki di sini adalah apa yang mungkin terjadi jika kita membuat struktur tiga dimensi lebih kecil dari panjang gelombang cahaya yang ingin kita kendalikan.”

Menyortir Cahaya berdasarkan Panjang Gelombang dan Polarisasi

Sebagai demonstrasi teknik desain baru, laboratorium Faraon telah menciptakan perangkat kecil yang dapat memilah cahaya yang masuk, dalam hal ini inframerah, berdasarkan panjang gelombang dan polarisasi, sebuah properti yang menggambarkan arah getaran gelombang cahaya.

Meskipun perangkat yang dapat memisahkan cahaya dengan cara ini sudah ada, perangkat yang dibuat di laboratorium Faraon dapat dibuat bekerja dengan cahaya tampak dan cukup kecil sehingga dapat ditempatkan langsung di atas sensor kamera dan mengarahkan cahaya merah ke satu piksel, hijau. terang ke yang lain, dan cahaya biru ke sepertiga. Hal yang sama dapat dilakukan untuk cahaya terpolarisasi, menciptakan kamera yang dapat mendeteksi orientasi permukaan, kemampuan yang berguna untuk menciptakan ruang augmented reality dan virtual reality.

Desain Organik Tak Terduga

Sekilas pada perangkat ini mengungkapkan sesuatu yang tidak terduga. Meskipun sebagian besar perangkat optik halus dan sangat halus seperti lensa atau prisma, perangkat yang dikembangkan oleh laboratorium Faraon terlihat organik dan kacau, lebih mirip bagian dalam gundukan rayap daripada sesuatu yang Anda lihat di laboratorium optik. Hal ini karena perangkat tersebut berevolusi melalui algoritme yang terus-menerus mengubah desainnya hingga berfungsi sesuai keinginan, mirip dengan bagaimana pembiakan dapat menghasilkan anjing yang pandai menggembalakan domba, kata Gregory Roberts, mahasiswa pascasarjana bidang fisika terapan dan penulis utama. kertas.

Algoritma Optimasi dan Desain yang “Berkembang”.

“Perangkat lunak desain pada intinya adalah proses berulang,” kata Roberts. “Ia memiliki pilihan di setiap langkah pengoptimalan tentang cara memodifikasi perangkat. Setelah melakukan satu perubahan kecil, ia mencari cara untuk membuat perubahan kecil lainnya, dan, pada akhirnya, kita mendapatkan struktur tampak funky yang memiliki kinerja tinggi dalam fungsi target yang kita tetapkan di awal.”

Faraon menambahkan: “Kami sebenarnya tidak memiliki pemahaman rasional tentang desain ini, dalam arti bahwa ini adalah desain yang dihasilkan melalui algoritma optimasi. Jadi, Anda mendapatkan bentuk-bentuk yang menjalankan fungsi tertentu. Misalnya, jika Anda ingin memfokuskan cahaya ke suatu titik—pada dasarnya fungsi lensa—dan Anda menjalankan simulasi untuk fungsi tersebut, kemungkinan besar Anda akan mendapatkan sesuatu yang terlihat sangat mirip dengan lensa. Namun, fungsi yang kami targetkan—membagi panjang gelombang dalam pola tertentu—cukup rumit. Itu sebabnya bentuk yang dihasilkan kurang intuitif.”

Dari Model ke Perangkat Fisik Dengan Litografi TPP

Untuk mengubah desain dari model di komputer menjadi perangkat fisik, para peneliti menggunakan jenis pencetakan 3D yang dikenal sebagai litografi polimerisasi dua foton (TPP), yang secara selektif mengeraskan resin cair dengan laser. Ini tidak berbeda dengan beberapa printer 3D yang digunakan oleh para penghobi, hanya saja printer ini mengeraskan resin dengan presisi yang lebih tinggi, memungkinkan struktur dengan fitur yang lebih kecil dari satu mikron dapat dibangun.

Faraon mengatakan bahwa karya tersebut merupakan bukti konsep namun dengan sedikit penelitian lebih lanjut, karya tersebut dapat dibuat dengan teknik pembuatan yang praktis.

Referensi: “Metaoptik inframerah-tengah berpola terbalik berpola 3D” oleh Gregory Roberts, Conner Ballew, Tianzhe Zheng, Juan C. Garcia, Sarah Camayd-Muñoz, Philip WC Hon dan Andrei Faraon, 13 Mei 2023, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-023-38258-2

Rekan penulis tambahan adalah Conner Ballew, sebelumnya di Caltech dan sekarang bersama JPLyang dikelola Caltech NASA; Tianzhe Zheng, mahasiswa pascasarjana bidang fisika terapan; Sarah Camayd-Muñoz, sebelumnya dari Caltech dan sekarang di Universitas Johns Hopkins; dan Juan C. Garcia dan Philip WC Hon dari Northrop Grumman.

Pendanaan untuk penelitian ini disediakan oleh Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan (DARPA), Inisiatif Inovasi Rothenberg, Dana Inovasi Clinard di Caltech, dan Kantor Penelitian Angkatan Darat.