華盛頓大學科學家領導的一個團隊設計並測試了3D列印超材料，該材料可以納米級的精度處理光。正如他們在10月4日發表在《科學進展》雜誌上的一篇論文中報導的那樣，他們設計的光學元件將光聚焦到3D螺旋形圖案中的離散點上。
該小組的設計原則和實驗結果表明，可以建模和構造超材料設備，這些設備可以在三個維度上以高空間解析度精確操縱光場。儘管該團隊選擇了一種螺旋圖案-螺旋螺旋-來使光學元件聚焦光線，但他們的方法可以用來設計以其他樣式控制和聚焦光線的光學元件。
具有這種對光的精確控制水平的設備不僅可以用於使當今的光學元件(例如透鏡或後向反射鏡)小型化，還可以用於實現新的品種。另外，在三個維度上設計光場可以實現用於自動運輸的超緊湊深度傳感器的創建，以及用於虛擬實境或增強現實頭戴設備中的顯示器和傳感器的光學元件的創建。
威斯康星大學電子與計算機工程與物理助理教授，教授，作者，作者Arka Majumdar說：「這種報導的設備實際上在折射光學方面沒有經典的模擬物-我們在日常生活中遇到的光學元件。」在威斯康星大學納米工程系統研究所和分子與工程科學研究所。「以前沒有人真正製造出具有這種功能的設備。」
該團隊包括空軍研究實驗室和代頓大學研究所的研究人員，在光學超材料領域採用了一種較少使用的方法來設計光學元件：逆向設計。他們採用逆向設計，從他們想要產生的光場輪廓的類型開始-螺旋形圖案中的八個聚焦光點-並設計了將創建該圖案的超材料表面。
Majumdar說：「在給定特定功能的情況下，我們並不總是憑直覺就知道光學元件的適當結構。」「這就是逆設計的用武之地：您讓算法來設計光學器件。」
儘管這種方法看起來很簡單，並且避免了反覆試驗設計方法的弊端，但是逆設計並未廣泛用於光學有源大面積超材料，因為它需要進行大量的模擬，從而使逆設計的計算量很大。
在這裡，該團隊避免了這個陷阱，這要歸功於該論文的主要作者艾倫·詹(Alan Zhan)的見識，他最近在華盛頓大學獲得了物理學博士學位。詹意識到團隊可以使用Mie散射理論來設計光學元件。米氏散射描述了特定波長的光波如何通過大小與光波長相似的球體或圓柱體散射。詹說，米氏散射理論解釋了彩色玻璃中的金屬納米粒子如何為教堂的某些窗戶賦予其大膽的顏色，以及其他彩色玻璃製品在不同波長的光下如何改變顏色。
詹說：「我們對米氏散射理論的實現是特定於某些形狀(球體)的，這意味著我們必須將這些形狀整合到光學元件的設計中。」「但是，依靠米氏散射理論可以極大地簡化設計和仿真過程，因為我們可以對光與光學元件相互作用時的屬性進行非常具體，非常精確的計算。」
他們的方法可以用來包含不同的幾何形狀，例如圓柱體和橢圓體。
團隊設計的光學元件本質上是一個表面，上面覆蓋著成千上萬個不同大小的微小球，並排列成周期性的方格。使用球形簡化了設計，該團隊使用一臺市售的3D印表機在西澳大學校園的華盛頓納米製造工廠製造了兩個光學原型光學元件-兩者中較大的一個側面僅0.02釐米長。光學元件是用紫外線環氧樹脂在玻璃表面上進行3D列印的。一個元件被設計為將光聚焦在1,550納米處，另一個元件將其聚焦在3,000納米處。
研究人員在顯微鏡下觀察了光學元件，以觀察它們的設計效果如何-將1,550或3,000納米的光聚焦在沿著3D螺旋圖案的八個特定點上。在顯微鏡下，最聚焦的點位於該團隊的理論模擬所預測的位置。例如，對於1,550納米波長的設備，八個焦點中的六個處於預測位置。其餘兩個僅顯示較小的偏差。
憑藉其原型的高性能，該團隊希望改善設計過程，以減少光線的背景水平並提高焦點放置的準確性，並結合其他與Mie散射理論兼容的設計元素。