随着人类探索宇宙的步伐不断加快，星际旅行已成为科学界极具挑战的远景目标。突破性的光帆技术，尤其是基于光子晶体的超轻薄反射材料，成为实现高速星际航行的关键。在近期发表的研究中，五边形光子晶体镜面作为新一代光帆材料引起广泛关注，凭借其独特的几何结构和优化设计，展现出显著提升加速度及制造可行性的优势。 星际旅行的瓶颈之一是推进系统的限制。以目前的推进技术，抵达邻近恒星阿尔法·半人马座需要数万年。突破奖计划的“Starshot计划”提出，通过地球面向外发射的高功率激光束，推动极轻量的微芯片载荷搭载的光帆，以接近光速20%的速度，实现二十年内跨越数光年距离的壮举。
这个理想的实现，却对光帆材料提出了前所未有的要求——大面积、超轻薄、且具有极高的反射效率和广谱反射能力，同时满足极低的吸收率以防止在强激光照射下毁坏。 光子晶体由于其周期性纳米结构，能够操纵光的传播，实现高反射率成为光帆镜面的首选材料。传统设计多采用正方形或六角形晶格结构，但这些结构在满足加速性能与制造成本之间存在明显权衡。新近研究采用神经网络拓扑优化（Neural Topology Optimization）探索设计空间，发现五边形晶格结构不仅符合生产工艺的最小特征尺寸需求，还能在性能上实现突破。 五边形光子晶体结构通过非传统的多形状孔洞排列，使光在膜层中形成多个相互作用的谐振峰，从而扩展了反射带宽度。相比单一形状孔洞的光子晶体，五边形结构呈现更宽的反射光谱，能有效应对光帆加速过程中因多普勒效应产生的激光波长红移问题。
这确保光帆在不断加速的过程中始终保持高反射率，提升加速效率并缩短加速时间。 除了卓越的光学性能，五边形晶体结构亦显著优化了制造工艺的经济性。光子晶体的最小特征尺寸（MFS）直接决定了所需的光刻工艺难度和成本。过小的特征尺寸虽然能减轻材料质量、提高加速度，但会导致生产时间和成本暴增。相较于传统的电子束光刻方法，高通量的光刻技术如i线光刻在最小特征尺寸约500纳米时实现最佳成本效益。五边形设计通过调节孔洞的面积分数，有效控制了特征尺寸，确保了使用更廉价、更快速的光刻设备来大规模生产成为可能。
大规模制造方面，研究团队成功制备了60×60毫米、厚度仅为200纳米的单层硅氮化物（SiN）光子晶体膜，并包含超过十五亿个纳米孔洞。这一规模和高纵横比（长宽比达到30万倍以上）创造了迄今为止纳米光子学中最高的形貌纪录。薄而大面积的膜体在强张应力下保持稳定，避免了因弯曲或褶皱带来的性能损失。这不仅展示了工艺的成熟度，也奠定了未来制造数平米级光帆的技术基础。 光子晶体膜的光学性能通过调谐激光测量得到验证。尽管激光测试波段有限，实验结果与模拟计算高度吻合，证实了采用五边形格子带来的宽带高反射特性。
制造工艺中因刻蚀不均带来的微小尺寸差异可通过进一步优化得到改善，保证镜面光学性能的一致性。 在推进性能与成本分析中，五边形设计表现出独特优势。虽然五边形晶体在最大加速距离（加速光帆达到目标速度所需的飞行距离）上稍逊于部分六角形设计，但其加速时间显著降低。这是因为五边形设计提供了更高的初始反射率，促使光帆在起步阶段迅速加速，减少了昂贵的激光发射时间，从而节省了巨额的发射费用。以激光功率为10GW/平方米、光帆面积10平方米进行估算，5分钟级的速度差距对应数百万欧元的成本节约，具备重要的经济意义。 此外，集成制造成本和发射成本的双重优化体现了神经拓扑优化方法的潜力。
传统光子晶体设计多侧重性能最大化，忽略了制造工艺的限制与成本经济性。基于深度学习参数化的拓扑优化不仅加速了设计进程，还实现了对面积分数、最小特征尺寸等间接制造约束的有效控制，为实际可量产设计提供了创新路径。 展望未来，五边形光子晶体镜面的设计理念可结合多物理场耦合优化，包括结构力学、热管理及光学稳定性，实现更加鲁棒且功能完备的光帆材料。随着激光阵列技术持续提升及制造工艺的完善，基于此类创新光子晶体材料的光帆或将在未来的星际探索任务中成为核心竞争力。 总之，五边形光子晶体镜面的研发代表了光帆技术的重大飞跃。其在加速性能、制造成本与规模化生产能力之间实现了平衡，为Starshot等星际飞行计划的实际推进铺平了道路。
随着相关研究深度与广度不断扩展，人类跨越星际的梦想距今正越来越近。
