随着人类对宇宙的探索不断深入，开发高速、轻量且高效的推进装置成为实现星际航行的关键。近年来，光帆技术因其用光子推动航天器的独特优势而备受关注。光帆借助激光产生的辐射压力，实现无需燃料的推进，是突破传统航天动力学限制的重要方向。然而，要设计符合未来星际任务需求的光帆材料，科研人员面临诸多挑战。单层光子晶体（Photonic Crystal, PhC）镜面成为众多研究的焦点之一，其在减轻重量、提高反射效率方面表现优异。最新研究突破了传统光子晶体设计，以独特的五边形晶格构造为基础，利用神经网络拓扑优化技术实现了大尺度、纳米厚度且包含亿万个纳米孔洞的光子晶体镜面，其在性能和制造成本上均表现出显著优势。
光帆技术本质上依赖高反射率、超轻质且超薄的材料作为推进介质。材料的反射性能、质量和制造成本在推进过程中直接影响加速度与任务可行性。传统的多层光子晶体虽具备宽带高反射，厚度增加所带来的重量问题严重制约了加速能力。相比之下，单层光子晶体通过在硅氮化物膜中布置纳米孔结构，巧妙折射与反射光波，大幅降低了整体质量，且能实现较优的反射率，成为光帆材料的理想选择。 然而，单层光子晶体的反射带宽较窄，难以满足随着光帆加速引起激光频谱多普勒位移的需求。此外，传统光子晶体设计多采用方形或六角形的晶格结构，其几何缺乏对成本和加速性能的平衡考量。
创新性的五边形晶格设计为这一问题提供了新的解答。神经拓扑优化作为一项先进的逆设计方法，通过结合机器学习与光学仿真，可以自动发现高性能且制造友好的光子晶体结构。此方法不仅加速设计流程，还能探索传统经验难以触及的设计空间。 五边形光子晶体镜面在这项技术中首次得以实现，其拥有多重尺寸和形状的孔洞，使得反射谱谱线多峰分布，显著扩展了反射的波长范围，提升了光帆在宽带激光和高速多普勒变换条件下的加速效率。这种设计在降低加速时间及能耗方面表现优异，减少了激光系统的运行负担，进而降低发射总成本。 在制造方面，传统电子束光刻技术因单点成像的缓慢曝光速度限制，难以实现大面积光子晶体的经济规模化生产。
相比之下，选择波长为365纳米的i线光刻技术，结合五边形结构较大的最小特征尺寸，实现了近万倍的成本降低。科研团队成功制备了面积达60×60毫米，厚度仅200纳米，却拥有15亿个纳米孔洞的高比例单层光子晶体膜。这一成果刷新了纳米光子器件最高长宽比的记录，同时保持了优良的机械稳定性和光学性能。 光子晶体膜的高预应力特性确保其结构稳定，避免因激光加热产生的翘曲和破裂，有效延长光帆的使用寿命与可靠性。实验测试结合光谱仪与扫描电镜验证了实物的设计精度和反射能力，结果与仿真数据高度一致。制造过程中对薄膜厚度和孔径的微调进一步优化了反射波段，确保其覆盖激光加速过程中所需的波长范围。
通过神经拓扑优化发现的新颖五边形晶格方案不仅提升了光帆的加速度和加速时间参数，还改善了材料的机械强度和散热能力。较高的材料填充率有助于降低应力集中和裂纹形成风险，从而提高了大面积光子晶体膜的制造良率和运输运输耐久性。这些优势在实际推进系统中至关重要，尤其是在极端光照及振动环境下运行时。 行业专家认为，结合神经网络优化技术的五边形光子晶体镜面体现了跨学科融合的卓越成果，展示了纳米光学、材料科学、计算机科学和航天工程的协同进步。未来，优化算法将进一步集成热管理、结构稳定性与激光吸收特性，推动光帆设计向多目标综合优化方向迈进，为星际探索探索建立坚实基础。 总体而言，五边形光子晶体镜面不仅革新了光子晶体光学结构设计，也为激光驱动光帆的商业化制造铺平了道路。
其相较于传统设计具备更短的加速时间、更低的制造成本以及更强的机械稳固性，为突破光速挑战注入了新动力。随着激光技术和纳米制造工艺的持续进展，这种创新设计方案有望加速实现人类首次飞往邻近恒星阿尔法星系的梦想。 探索此类高性能、低成本的光子晶体结构是促成“突破星际计划”（Breakthrough Starshot Initiative）目标的关键一步。未来科学家可进一步结合多层光子晶体结构与五边形晶格设计，或实现更宽频域的稳定反射，同时保持材料质量优势。多学科合作将持续推动材料界面工程、量子光学和激光物理的融合，催生更多光子学设备革新。 在向宇宙更深处迈进的征程上，光帆作为推动人类走向星际旅行的一张“光之翼”，其核心材料与设计方案的突破，将极大影响未来太空探索的速度和成本。
五边形光子晶体镜面为实现这一宏伟目标提供了崭新视角和解决途径，彰显了现代科技在极限物理条件下创造无限可能的力量。
