随着人类对深空探测和星际旅行的兴趣日益浓厚，突破传统航天技术的限制成为科学家和工程师们追求的目标。光帆作为一种利用光辐射压力推动飞行器的重要技术，受到了星际项目，尤其是突破射线倡议（Breakthrough Starshot）的高度关注。该倡议旨在通过激光驱动的轻质光帆将微型探测器以接近光速的速度送往邻近恒星系统阿尔法·半人马座。光帆的设计面临着质量极限和高效反射性能的双重挑战，五边形光子晶体镜面的创新突破为实现这一远大目标带来了新的可能。 五边形光子晶体镜面基于二维光子晶体结构，利用硅氮化物（SiN）超薄膜通过纳米级周期性孔洞调控光的传播和反射特性。区别于传统的光子晶体多为方形或六边形晶格结构，五边形晶格呈现出独特的几何对称性和振动模态，有助于扩展反射谱带宽和优化光学响应。
利用神经拓扑优化（Neural Topology Optimization）技术，对光子晶体单元格的形状、厚度及周期参数进行高维非线性优化，成功设计出在保证最低特征尺寸的条件下提升反射率及宽带性的结构，进一步提升了光帆的加速能力。 创新的五边形晶格结构展现出多峰反射特性，使得光子晶体反射光谱覆盖激光加速过程中因多普勒红移带来的频率变化，实现更宽频带的高反射率。这一设计不仅满足了高速运动中光子的能量转移需求，还兼顾了轻量化与结构强度，优化了材料面积分数（Area fraction），在保持高反射效率的同时提升了抗断裂性和制造容错率。更高的材料面积分数意味着更强的机械稳定性，也降低了光子晶体中细长细丝的脆弱性，使得大规模制造成为可能。 制造技术的突破也是实现规模化光帆的关键。通过利用成熟的高通量i线光刻技术，结合先进的化学气相沉积（LPCVD）、等离子体刻蚀工艺和低温蚀刻工艺，生产出边长达六厘米，厚度仅200纳米，且包含约15亿纳米级孔洞的悬浮SiN膜。
相较于传统电子束光刻，i线光刻在速度和成本上实现了近9000倍的优化，显著降低了光帆制造的经济门槛，为批量生产和广泛应用铺平了道路。高应力预拉伸的SiN薄膜展现出优异的张紧度，保证了大面积悬浮结构的平整与稳定，抵抗环境扰动及激光辐射的热应力影响。 性能评估方面，优化后五边形光子晶体光帆在10 GW/m2激光功率密度下，可在极短的时间内达到0.2倍光速的终速度。相比传统的六边形或方形光子晶体设计，五边形结构在加速时间上展现了显著优势，使得激光照射所需时间缩短数分钟，这在总发射成本中体现为数百万欧元的节约。激光发射成本占据总任务预算的关键部分，任何加速性能的提升都直接带来经济效益的显著提升，尤其对于需要同时发射大量光帆进行“散弹枪式”任务策略的星际探测项目尤为重要。 此外，五边形光子晶体设计兼顾了制造成本与加速性能的复杂权衡。
设计过程中引入了面积分数约束，控制光子晶体中材料与空穴的比例，从而影响最小特征尺寸和机械可靠性。优化算法在保证最低制造成本的前提下，找到性能与可制造性之间的最佳平衡点。该方法解决了传统设计中仅追求加速性能而忽视制造经济性的缺陷，成为迈向实际可行光帆系统的重要一步。 未来研究将围绕多目标优化展开，结合结构力学、热管理与光学性能同时考虑，以应对光帆加速时所承受的复杂环境压力和温度变化。尤其是光子晶体吸收特性对激光高功率照射下的热稳定性、缺陷容忍度和抗辐射能力需要深入探讨。通过纳米光子学、材料科学与机器学习算法的融合，未来有望实现集高性能、高可靠性及低成本于一体的可扩展光帆制造体系。
在更广阔的应用前景中，五边形光子晶体镜面不仅具备星际探测的潜力，也可应用于光学成像、可调谐镜面以及动态纳米光子器件中。其极高的纵横比和大面积均匀性突破了现有纳米制造的极限，展现出纳米光学领域全新的设计与制造范式。随着半导体工业标准尺寸晶圆的进一步增大，借助光刻工艺的持续进步，光子晶体光帆的尺寸可望实现数十平方米的批量化生产，推动深空探测技术迈向实用化阶段。 综上，五边形光子晶体镜面代表了一项重要的纳米光子技术进步。通过神经拓扑优化算法与先进制造工艺的结合，实现了性能和成本之间的精妙平衡，助力实现星际探测中轻量级、高效的激光光帆推进系统。这一成果不仅推动了科学探索的边界，也为可持续的太空技术开发提供了坚实基础。
未来几年，该领域的持续创新和跨学科融合将极大推动人类迈向星际时代，开启宇宙深处的新篇章。
