每天，我们都面临着甚至根本没有注意到甚至看不到的过程和现象。 我们有些理解，有些则只需要了解。 但是，科学界的工作绝不限于了解任何东西，因为一个人总是想不仅要理解，而且要把自己的知识付诸实践，而这通常只意味着一件事-控制。 今天，我们将与您会面进行一项研究，华盛顿大学的科学家能够研究出一种可以处理纳米级光的新型超材料。 他们的设备有什么特点，古斯塔夫·米（Gustav Mi）的工作在其中扮演了什么角色，这项创新的实际实施是什么？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧
学习基础
本研究的祖先是基于离散介电散射体阵列的光学元件，可以控制光场的局部幅度和相位。 这样的发展使得有可能使诸如透镜和回射器之类的传统光学元件小型化。 此外，介电散射体阵列成为基于偏振或波复用和点散射功能的新型多功能光学元件的基础。
目前，该领域的绝大多数研究都是针对直观设计的直接设计方法进行的。 这样的方法使用预编译的离散扩散器库实现了所需的相位分布。 当假定一个散射体的行为与一组散射体的行为相同时，考虑到周期性边界条件，可以计算此类散射体的属性。 该近似通常称为局部相位近似，它忽略了光学元件中相邻散射体之间相互作用的差异，这对于具有陡峭梯度的相位分布是不可接受的。 另外，在缺乏已知的相位分布的情况下，该方法不能用于制造光学元件。
反向工程方法首先根据扩散器的可调参数确定品质因数，以尝试精确封装光学元件的特性。 也就是说，该算法针对给定的介电散射体配置计算品质因数及其梯度，并且不会通过反复试验来选择配置本身。 然后，算法使用梯度作为更新方向来优化配置，以优化质量因子。
在这种情况下，逆向工程方法使我们能够研究直觉直接设计方法将忽略的扩散器构造。
逆向工程方法先前已成功用于等离激元纳米结构和介电平面集成光子元件的创建，以及最近基于散射体的二维光学元件的开发。 所得器件在大角度和多层透镜下显示出提高的光束偏转效率。
但是，由于对于由小元素组成的大型系统需要大量的内存和较差的可伸缩性，因此逆向工程方法只能应用于二维元素或非常小的三维基本单元。
自然，这并没有阻止华盛顿大学的科学家，因此他们决定尝试在研究中应用逆向工程方法，但做出了一些更改和补充。 结果，他们使用球形梯度Mie散射体阵列的基于梯度的逆向工程方法设法在三个维度上创建了PSF（点散射函数）。
在深入研究结果的深渊之前，请先对术语有所了解。
首先，超材料。 该术语指的是复杂系统，其特性不是由组成它们的材料的特性来表征，而是由系统本身的结构来表征。
大家都记得，一个装有30个鸡蛋的托盘可以承受相当大的重量，但这并不意味着蛋壳的强度。 蛋壳本身并不是那么坚固，但是“蛋托”是我们的超材料-一种系统，其强度不取决于蛋壳的强度，而取决于蛋的数量及其位置。
超材料的复杂结构的一个例子。一个类似的例子是一个纸板箱，里面有很多隔板（例如烤架）。 这样的盒子可以承受沉重的重量的事实并不意味着纸板的强度，而仅仅是盒子的特定结构的结果，即纸板盒的重量。 存在分区的结果。
其次，弥散。 古斯塔夫·米（1868-1957）是德国物理学家，他积极而成功地研究并解释了电动力学和相对论。 最著名的是它对麦克斯韦方程组的求解-球形粒子对光的散射。
古斯塔夫·米他决定的本质与粒径和落在该粒子上的波长有关。 发生事件有三种选择：粒子远小于波长，它们大致相同，粒子远大于波长。
在第一种情况下，我们得到瑞利散射，即在不改变粒子波长的情况下进行散射。 在这种情况下，粒子被外部电磁波极化，从而导致交流偶极子的激发，该偶极子会随着外部波的频率而随时间振荡。 因此，我们获得了精确地描述偶极矩的光的方向图。
在第二种情况下，方向性图案复杂，因为存在从粒子表面的不同点反射的干扰波（当多个波彼此叠加时，它们的振幅相互增加/减少）。
在第三种情况下，当粒子占据主导地位时，其表面将表现得像一个平面，这将导致光发生折射和反射。
研究成果
在他们的工作中，科学家们准备并实际测试了波长为1.55和3微米的光学元件。 研究系统的尺寸为114 x 114微米和200 x 200微米。 根据研究人员自己的说法，这种规模的系统是使用逆向工程开发的系统的记录。
将具有两种波长的所有测试设备的强度分布设置为由沿着光轴的八个焦点定义的离散螺旋。 这些点中的每一个位于单独的焦平面中，对于1.55μm的波长，沿光轴除以28μm，对于3μm的波长，沿光轴除以57μm。 焦点位于半径为1.55的半径为12μm，半径为3μm的半径为20μm的圆上。
图像1： A是球体位置的示意图， B是涂有金的器件的1.55μm的SEM图像， C和D是器件上的生产误差。* SEM-扫描电子显微镜。
使用两光子光刻系统制造器件。 在制造过程中，我们使用了63倍透镜和IP-Dip电阻（在计算出的波长下为n〜1.47）配对，从而在制造过程中提供了最大可能的分辨率（〜200 nm）。
制造阶段的主要任务是在真空中的正方形网格上创建一组相同的球。 没有使用衬底，因为它对器件性能的影响可以忽略不计。
波长为1.55μm的设备的球面频率设置为2.42μm（超波），波长为3μm的设备的球面频率设置为2.9μm（子波）。
正如我们在图片
1C和
1D中看到的那样，并非所有球体都是球体，即 其中一些形状不规则。 在建模和优化中未考虑此类生产错误。
图2：在仿真和实际测试过程中1.55微米设备的操作。在测试期间，每个设备使用两个单独的显微镜（1.55和3μm）。 在实验过程中，发现光学元件会产生高强度的清晰点（点），这与建模预测相对应。 但是，与模拟相比，该实验显示出焦点和背景之间的对比度较低。 另外，在照片
2E ，
2F和
2N中 ，清晰可见的是强度较小的较小热点，这些热点在模拟中不存在。
实际焦点是在平面上的正确空间位置上创建的，但是，对于在
2M和
2N上所示的焦点，沿光轴的预期焦点位置之间会有一些偏移。 科学家在具有生产错误的建模和实验中解释了这些差异。
接下来，比较了仿真和实验过程中焦点在平面中的位置。
3A中显示的模拟（红色）点位于半径为12μm的黑色虚线圆上。
图片3： A-焦点的位置， B-模拟点和实验点的位置差。实验（蓝色）点在很大程度上粘附到与给定Q因子相对应的相同形状和行为。 但是，仍然存在一些错误-第一点和最后一点并不完全重合（图像
3A中的 1和8）。 这种差异可能与生产过程中的误差以及光学表征期间的误差相关。
这种技术并非没有问题。 此刻的主要缺点应被认为仅受球形散射体和低折射率的限制。 Mie散射可以与T矩阵理论结合使用，从而可以使用任意形状的粒子（圆柱体，椭圆体等）。 特别地，所研究的方法与圆柱形散射体的结合将使得有可能将该方法应用于用于制造二元半导体的经典工艺。 此外，T矩阵理论的应用将改善折射率，这是光学元件性能程度的重要组成部分。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
在这项研究中，科学家们能够在实践中成功演示使用Mie背向散射的设计方法，该方法可让您在三个维度上设置光场，非常适合于大阵列的离散介电散射体。 这种方法允许最有效地利用单个扩散器的特性，以使它们具有通用系统。
在实验过程中，科学家通过开发光学元件来测试此方法，该光学元件产生了离散的螺旋光学聚焦图。 可以在与某些深度平面上的元素提取相关联的可视化系统中使用创建镜头状PSF的此类元素，而无需执行反卷积操作。
当可以创建光学元件的特性非常适合特定任务时，这项工作是实现“柔性”光学概念的第一步。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！ :)
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