华盛顿大学研究人员带领的团队使用逆向设计方法设计并测试了3D打印超材料，该材料可以纳米级的精度处理光。尽管研究人员为它们的光学元件选择了螺旋形图案，但他们说他们的方法可以用于设计将光聚焦在其他图案上的元件。该团队创建的元素（其成员包括来自空军研究实验室和代顿大学研究所的研究人员）实质上是一个表面，上面覆盖了成千上万个大小不同的微小球体，这些球体以周期性方格排列。该团队使用市售的3D打印机制造了两个原型。两者中较大的一面只有0.02厘米长。原型元素是用紫外线环氧树脂在玻璃表面上进行3D打印的。设计一个元件将光聚焦在1550 nm处，将另一个聚焦在3000 nm处。

光学元件表面的扫描电子显微图像。由James Whitehead /华盛顿大学提供。

为了简化设计和仿真过程，研究人员使用了Mie散射理论。这使他们可以对光与光学元件相互作用时光的性质进行精确计算。“我们对米氏散射理论的实现是特定于某些形状（球体）的，这意味着我们必须将这些形状整合到光学元件的设计中，”研究员Alan Zhan说。

为了测试光学元件是否按设计执行，研究人员在显微镜下可视化了这些元件，将1550 nm或3000 nm的光聚焦在沿3D螺旋图案的八个特定点上。在显微镜下，最聚焦的点位于团队理论模拟所预测的位置。例如，对于1550 nm波长的装置，八个焦点中的六个处于预测位置，其余两个仅显示较小的偏差。

这些图像显示了在1550 nm处光学元件的性能。图像是在光学元件表面上方大约185μm处出现的光场光强度曲线。左侧是模拟的光强度曲线，可预测光学元件的性能。注意靠近图像中心光的焦点。右边是光学元件的实际光强度曲线，表明该元件在预测位置产生了光的焦点。研究人员设计了该元件，以将光聚焦在元件表面上方不同距离的八个此类点上，比例尺为10μm。由Alan Zhan /华盛顿大学提供。

基于原型的性能，该团队希望改善设计过程，以减少光线的背景水平并提高焦点放置的准确性，并结合其他与Mie散射理论兼容的设计元素。“既然我们已经展示了基本的设计原理，那么在达到如此精确的制造水平时，我们可以提供很多指导，”阿尔卡•马朱达尔教授说。一个有前途的方向是超越单一表面来创建真实体积的3D超材料。 “ 3D打印使我们能够创建这些表面的堆叠，这在以前是不可能的，” Majumdar说。

该小组的设计原则和实验结果表明，可以建模和构造超材料元件，这些元件可以在三个维度上以高空间分辨率精确操纵光场。具有这种级别的光控制能力的元件可以用于使光学元件（如透镜或后向反射镜）小型化并实现新型的元件。此外，在3D模式下设计光场可以实现用于自动运输的超紧凑深度传感器的创建，以及用于虚拟现实或增强现实耳机中显示器和传感器的光学元件的创建。

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