Caltech ermöglicht 3D-Druck optischer Geräte im Nanomaßstab

Eine neue Technologie, die am Caltech entwickelt wurde, ermöglicht es Forschenden, optische Geräte zu “entwickeln” und sie dann mit einem speziellen 3D-Drucker auszudrucken. Diese Geräte bestehen aus so genannten optischen Metamaterialien, die ihre Eigenschaften aus Strukturen beziehen, die so klein sind, dass sie in Nanometern gemessen werden, und sie könnten es Kameras und Sensoren ermöglichen, Eigenschaften des Lichts auf eine Art und Weise zu erkennen und zu manipulieren, die bisher in kleinem Maßstab nicht möglich war.

“Normalerweise werden die meisten dieser Dinge in einer dünnen Materialschicht durchgeführt. Man nimmt ein sehr dünnes Stück Silizium oder ein anderes Material und verarbeitet es, um ein Gerät zu erhalten”, sagt Andrei Faraon, Professor für Angewandte Physik und Elektrotechnik, der die Arbeit geleitet hat. “Aber [der Bereich] Optik lebt in einem dreidimensionalen Raum. Wir versuchen hier zu untersuchen, was möglich ist, wenn wir dreidimensionale Strukturen schaffen, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, das wir zu kontrollieren versuchen.”

Zur Demonstration hat Faraons Labor winzige Geräte entwickelt, die einfallendes Infrarotlicht sowohl nach Wellenlänge als auch nach Polarisation sortieren. Die Forschenden hoffen, ähnliche Geräte für den sichtbaren Lichtbereich und den Einsatz in Kameras und VR-Räumen zu entwickeln.

Die Geräte haben eine organische, chaotische Struktur, die durch ständige Design-Optimierung mittels eines Algorithmus erreicht wird. Gregory Roberts, Hauptautor der Studie, vergleicht den Prozess mit dem Züchten eines guten Schafhundes.

“Die Design-Software ist im Kern ein iterativer Prozess”, sagt Roberts. “Bei jedem Schritt der Optimierung hat sie die Wahl, wie sie das Gerät verändern will. Nachdem sie eine kleine Änderung vorgenommen hat, findet sie heraus, wie man eine weitere kleine Änderung vornehmen kann, und am Ende haben wir diese seltsam aussehende Struktur, die eine hohe Leistung in der Zielfunktion hat, die wir am Anfang festgelegt haben.”

Faraon fügt hinzu: “Wir haben eigentlich kein rationales Verständnis für diese Entwürfe, denn es handelt sich um Entwürfe, die durch einen Optimierungsalgorithmus erzeugt werden. Man erhält also diese Formen, die eine bestimmte Funktion erfüllen. Wenn man zum Beispiel Licht auf einen Punkt fokussieren möchte – also im Grunde das, was eine Linse tut – und unsere Simulation für diese Funktion durchführt, erhält man höchstwahrscheinlich etwas, das einer Linse sehr ähnlich sieht. Die Funktionen, auf die wir abzielen – die Aufteilung von Wellenlängen in einem bestimmten Muster – sind jedoch recht kompliziert. Deshalb sind die Formen, die dabei herauskommen, nicht ganz intuitiv.”

Zur Umsetzung der Entwürfe in physische Geräte haben die Forschenden die Zwei-Photonen-Polymerisations-Lithographie (TPP) verwendet, eine Form des 3D-Drucks, die ein flüssiges Harz mit Laser selektiv aushärtet.

Faraon sagt, dass es sich bei der Arbeit um einen Konzeptnachweis handelt, dass aber mit etwas mehr Forschung ein praktisches Herstellungsverfahren entwickelt werden könnte.

Die Arbeit mit dem Titel “3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics” wird in der Ausgabe vom 14. April in Nature Communications veröffentlicht. Weitere Koautoren sind Conner Ballew, früher am Caltech und jetzt am JPL, das das Caltech für die NASA verwaltet; Tianzhe Zheng, Doktorand in angewandter Physik; Sarah Camayd-Muñoz, früher am Caltech und jetzt an der Johns Hopkins University; und Juan C. Garcia und Philip W. C. Hon von Northrop Grumman.

Finanziert wurde die Forschung von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), der Rothenberg Innovation Initiative, dem Clinard Innovation Fund am Caltech und dem Army Research Office.