Una nueva tecnología de la que Caltech es pionera está permitiendo a los investigadores "evolucionar" dispositivos ópticos y luego imprimirlos utilizando un tipo especializado de impresora 3D. Estos dispositivos están hechos de los llamados metamateriales ópticos que derivan sus propiedades de estructuras tan pequeñas que se miden en nanómetros, y pueden permitir que cámaras y sensores detecten y manipulen propiedades de la luz de maneras que antes no eran posibles a escalas pequeñas.

El trabajo se realizó en el laboratorio de Andrei Faraon, profesor William L. Valentine de Física Aplicada e Ingeniería Eléctrica y se publica en la revista Nature Communications. .

Esta no es la primera vez que Faraon desarrolla metamateriales ópticos, pero dice que es la primera vez que estos materiales se llevan a tres dimensiones.

"Generalmente, la mayoría de estas cosas se hacen en una fina capa de material. Se toma una pieza muy fina de silicio o algún otro material y se procesa para obtener el dispositivo", afirma. "Sin embargo, [el campo de] la óptica vive en un espacio tridimensional. Lo que intentamos investigar aquí es qué es posible si hacemos estructuras tridimensionales más pequeñas que la longitud de onda de la luz que intentamos controlar".

Como demostración de la nueva técnica de diseño, el laboratorio de Faraon ha creado pequeños dispositivos que pueden clasificar la luz entrante, en este caso infrarroja, tanto por longitud de onda como por polarización, una propiedad que describe la dirección en la que vibran las ondas de luz.

Aunque ya existen dispositivos que pueden separar la luz de esta manera, los dispositivos fabricados en el laboratorio de Faraon podrían funcionar con luz visible y ser lo suficientemente pequeños como para colocarse directamente sobre el sensor de una cámara y dirigir la luz roja a un píxel y la verde. luz a otro, y luz azul a un tercero. Lo mismo podría hacerse con la luz polarizada, creando una cámara que pueda detectar la orientación de las superficies, una capacidad útil para la creación de espacios de realidad virtual y aumentada.

Una mirada a estos dispositivos revela algo bastante inesperado. Mientras que la mayoría de los dispositivos ópticos son lisos y muy pulidos como una lente o un prisma, los dispositivos desarrollados por el laboratorio de Faraon parecen orgánicos y caóticos, más parecidos al interior de un montículo de termitas que a algo que verías en un laboratorio de óptica. Esto se debe a que los dispositivos evolucionan mediante un algoritmo que modifica continuamente su diseño hasta que funcionan de la manera deseada, similar a cómo la cría podría crear un perro que sea bueno pastoreando ovejas, dice Gregory Roberts, estudiante de posgrado en física aplicada y autor principal. del papel.

"El software de diseño en esencia es un proceso iterativo", dice Roberts. "Tiene una opción en cada paso de la optimización sobre cómo modificar el dispositivo. Después de hacer un pequeño cambio, descubre cómo hacer otro pequeño cambio y, al final, terminamos con esta estructura de aspecto original. que tenga un alto rendimiento en la función objetivo que nos planteamos al principio."

Faraon añade:"En realidad, no tenemos una comprensión racional de estos diseños, en el sentido de que son diseños que se producen mediante un algoritmo de optimización. Entonces, obtienes estas formas que realizan una determinada función. Por ejemplo, si quieres enfoca la luz en un punto (básicamente lo que hace una lente) y ejecutas nuestra simulación para esa función, lo más probable es que obtengas algo que se parece mucho a una lente. Sin embargo, las funciones a las que nos dirigimos:dividir longitudes de onda en una determinada. patrón—son bastante complicados, es por eso que las formas que aparecen no son del todo intuitivas."

Para convertir estos diseños de un modelo en una computadora en dispositivos físicos, los investigadores utilizaron un tipo de impresión 3D conocida como litografía de polimerización de dos fotones (TPP), que endurece selectivamente una resina líquida con un láser. No se diferencia de algunas de las impresoras 3D utilizadas por los aficionados, excepto que endurece la resina con mayor precisión, lo que permite construir estructuras con características inferiores a una micra.

Faraon dice que el trabajo es una prueba de concepto pero que con un poco más de investigación se podría realizar con una técnica de fabricación práctica.

Más información: Gregory Roberts et al, metaóptica de infrarrojo medio de diseño inverso con patrones 3D, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-38258-2

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California