Une nouvelle technologie mise au point à Caltech permet aux chercheurs de « faire évoluer » des dispositifs optiques, puis de les imprimer à l'aide d'un type spécialisé d'imprimante 3D. Ces dispositifs sont constitués de métamatériaux dits optiques qui tirent leurs propriétés de structures si petites qu'elles sont mesurées en nanomètres, et ils peuvent permettre aux caméras et aux capteurs de détecter et de manipuler les propriétés de la lumière d'une manière auparavant impossible à petite échelle.
Les travaux ont été menés dans le laboratoire d'Andrei Faraon, professeur William L. Valentine de physique appliquée et de génie électrique et sont publiés dans la revue Nature Communications. .
Ce n'est pas la première fois que Faraon développe des métamatériaux optiques, mais il dit que c'est la première fois que ces matériaux sont poussés en trois dimensions.
"En général, la plupart de ces choses sont réalisées avec une fine couche de matériau. Vous prenez un très mince morceau de silicium ou un autre matériau et vous le traitez pour obtenir votre appareil", dit-il. "Cependant, [le domaine de] l'optique vit dans un espace tridimensionnel. Ce que nous essayons d'étudier ici, c'est ce qui est possible si nous créons des structures tridimensionnelles plus petites que la longueur d'onde de la lumière que nous essayons de contrôler." /P>
Pour démontrer la nouvelle technique de conception, le laboratoire de Faraon a créé de minuscules dispositifs capables de trier la lumière entrante, dans ce cas l'infrarouge, à la fois par longueur d'onde et par polarisation, une propriété qui décrit la direction dans laquelle les ondes lumineuses vibrent.
Bien que des appareils capables de séparer la lumière de cette manière existent déjà, les appareils fabriqués dans le laboratoire de Faraon pourraient être conçus pour fonctionner avec la lumière visible et suffisamment petits pour pouvoir être placés directement sur le capteur d'une caméra et diriger la lumière rouge vers un pixel, vert. la lumière à un autre, et la lumière bleue à un troisième. La même chose pourrait être faite pour la lumière polarisée, en créant une caméra capable de détecter l'orientation des surfaces, une capacité utile pour la création d'espaces de réalité augmentée et virtuelle.
Un coup d’œil sur ces appareils révèle quelque chose d’assez inattendu. Alors que la plupart des appareils optiques sont lisses et hautement polis comme une lentille ou un prisme, les appareils développés par le laboratoire de Faraon semblent organiques et chaotiques, ressemblant davantage à l'intérieur d'une termitière qu'à quelque chose que vous verriez dans un laboratoire d'optique. En effet, les appareils évoluent grâce à un algorithme qui modifie continuellement leur conception jusqu'à ce qu'ils fonctionnent de la manière souhaitée, de la même manière que l'élevage pourrait créer un chien doué pour garder les moutons, explique Gregory Roberts, étudiant diplômé en physique appliquée et auteur principal. du papier.
"Le logiciel de conception est à la base un processus itératif", explique Roberts. "Il a le choix à chaque étape de l'optimisation de la manière de modifier l'appareil. Après avoir effectué un petit changement, il découvre comment effectuer un autre petit changement et, à la fin, nous nous retrouvons avec cette structure géniale. qui a une haute performance dans la fonction cible que nous avons définie au début."
Faraon ajoute :« En réalité, nous n'avons pas de compréhension rationnelle de ces conceptions, dans le sens où ce sont des conceptions produites via un algorithme d'optimisation. Ainsi, vous obtenez ces formes qui remplissent une certaine fonction. Par exemple, si vous souhaitez concentrez la lumière sur un point - donc essentiellement ce que fait un objectif - et vous exécutez notre simulation pour cette fonction, vous obtiendrez très probablement quelque chose qui ressemble beaucoup à un objectif. Cependant, les fonctions que nous ciblons sont la division des longueurs d'onde dans un certain point. motif - sont assez compliqués. C'est pourquoi les formes qui en ressortent ne sont pas assez intuitives."
Pour transformer ces conceptions d'un modèle sur ordinateur en dispositifs physiques, les chercheurs ont utilisé un type d'impression 3D connu sous le nom de lithographie par polymérisation à deux photons (TPP), qui durcit sélectivement une résine liquide avec un laser. Ce n'est pas sans rappeler certaines imprimantes 3D utilisées par les amateurs, sauf qu'elle durcit la résine avec une plus grande précision, permettant ainsi de construire des structures avec des caractéristiques inférieures au micron.
Faraon dit que le travail est une preuve de concept mais qu'avec un peu plus de recherche, il pourrait être réalisé avec une technique de fabrication pratique.
Plus d'informations : Gregory Roberts et al, métaoptique infrarouge moyen à motif inversé en 3D, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-38258-2
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Institut de technologie de Californie
