五角形光子晶体反射镜：通过神经拓扑优化实现可扩展光帆并增强加速性能

为解决星际航行中光帆制造面临的难题，来自代尔夫特理工大学、布朗大学等机构的研究人员开展了基于神经拓扑优化设计光帆的研究。他们发现新型五角晶格光子晶体（PhC）反射镜，大幅降低成本，这为下一代太空探索提供了有前景的解决方案。

　　在浩瀚的宇宙探索征程中，人类一直怀揣着征服星辰大海的梦想。然而，现有的太空航行技术面临着诸多挑战。以距离地球最近的恒星半人马座阿尔法星为例，目前人类制造的最远航天器旅行者 1 号自 1977 年出发，至今才刚刚离开太阳系，而到达半人马座阿尔法星，以现有推进系统需要一万多年。

为了突破这一困境，2016 年突破奖基金会宣布了 “星射计划（Starshot Initiative）” 。该计划旨在利用纳米技术制造低质量的微芯片卫星，并通过低质量光帆（lightsail）和高功率激光，推动微芯片探测器以五分之一的光速在 20 年内抵达半人马座阿尔法星。但光帆的制造困难重重，它要求材料具备米级尺寸、纳米级厚度，且拥有数十亿个纳米级孔洞，以提高反射率并减轻质量。同时，光帆独特的几何形状和严格的性能要求，使其成为该计划中最具挑战性的部分之一。

在此背景下，来自代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）、布朗大学（Brown University）等机构的研究人员展开了深入研究。他们利用神经拓扑优化（neural topology optimization，neural TO）技术，设计出一种新型的基于五角晶格的光子晶体（photonic crystal，PhC）反射镜。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员开展此项研究主要运用了以下关键技术方法：首先是神经拓扑优化算法，该算法通过卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）、后处理、功能分析和计算品质因数（figure of merit，FOM）等步骤，对光帆进行优化设计；其次采用了严格耦合波分析（Rigorous coupled-wave analysis）来进行功能分析，求解周期性结构的散射问题；在制造工艺上，利用光刻技术，通过多次光刻和蚀刻步骤，制备出大面积、高质量的光子晶体光帆。

研究结果如下：

• 光子晶体光帆设计：对不同架构的光子晶体进行研究，发现多层光子晶体质量太大，双层光子晶体增加带宽的同时会显著增加质量，影响光帆加速度，而单层光子晶体虽质量超轻，但存在窄带反射问题。基于此，研究人员聚焦于单层光子晶体进行设计优化12。
• 加速性能与成本的权衡：在设计光帆时，综合考虑加速性能和成本至关重要。研究人员选择 i 线光刻（i-line photolithography）来降低制造成本，因为其具有成本效益高、可用性强等优点。通过优化，发现五角晶格设计在加速时间上表现更优，相比六边形晶格设计，能显著降低发射成本34。
• 计算结果：通过优化，得到了不同晶格结构的设计。在满足最小特征尺寸（MFS）要求的情况下，发现较大的面积分数（Af）会导致独特的五角晶格结构。与六边形晶格相比，五角晶格设计的光帆虽加速距离（D）更大，但加速时间更短，这表明宽带反射器可通过设计多种孔尺寸和形状的二维光子晶体实现5。
• 实验结果：研究人员制备了面积为60×60 mm2 、厚度为 200nm 的单层光子晶体膜，其表面覆盖着约 15 亿个纳米级孔洞，实现了每平方米近 9000 倍的成本降低，且该装置具有目前最高的长宽比（length/thickness - 3×105 ） 。测量得到的反射率光谱与模拟结果吻合良好，验证了设计的有效性6。

研究结论表明，通过神经拓扑优化设计的五角晶格光子晶体反射镜，在满足光帆性能要求的同时，显著降低了制造成本和发射成本。这种创新方法为大规模生产高质量、低成本的光帆提供了可能，对推动星际探索具有重要意义。同时，研究人员也指出，未来研究应探索多目标拓扑优化，纳入更多参数，如结构、热和光子稳定性等，以进一步完善光帆设计，使其更符合实际应用需求。