折射是光線穿過(guò)不同介質(zhì)時(shí)發(fā)生的偏折現(xiàn)象，長(zhǎng)期以來(lái)受物理定律限制，無(wú)法獨(dú)立控制不同方向光波的彎曲方式。如今，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）研究人員開(kāi)發(fā)出一類(lèi)新型被動(dòng)材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)折射"編程"，從而任意調(diào)控光波的偏折方向。

在《自然·通訊》發(fā)表的研究中，UCLA電子與計(jì)算機(jī)工程系校長(zhǎng)講席教授Aydogan Ozcan博士團(tuán)隊(duì)提出一種折射函數(shù)生成器（RFG）的新型器件。該器件能針對(duì)每個(gè)入射方向獨(dú)立定制折射光的出射方向，使光線能依據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、濾波或重定向——其功能遠(yuǎn)超常規(guī)材料或傳統(tǒng)超表面所能實(shí)現(xiàn)的范疇。

傳統(tǒng)折射遵循斯涅爾定律，通過(guò)固定材料屬性關(guān)聯(lián)光線的入射與出射方向。即便先進(jìn)的超表面設(shè)計(jì)也只能實(shí)現(xiàn)有限的折射調(diào)控。

而RFG采用多層超薄被動(dòng)透射材料堆疊結(jié)構(gòu)，每層均通過(guò)深度學(xué)習(xí)在接近光衍射極限的尺度進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而定義完全任意的折射函數(shù)，有效解耦了光折射的輸入-輸出映射關(guān)系。研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，這種厚度僅數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)的光學(xué)器件能實(shí)現(xiàn)置換折射、濾波置換及負(fù)折射等復(fù)雜波前變換。

圖片:搜狗截圖20250731110420.png

負(fù)折射函數(shù)的實(shí)驗(yàn)證明

為驗(yàn)證該技術(shù)，研究人員采用3D打印材料與太赫茲波制作了RFG原型器件。實(shí)驗(yàn)表明這些器件能精確按照預(yù)設(shè)方向偏折光線，成功實(shí)現(xiàn)了折射函數(shù)的任意編程。Ozcan博士表示："這是光場(chǎng)精密調(diào)控技術(shù)的重大突破，通過(guò)結(jié)構(gòu)化3D材料編程光折射行為，我們?yōu)楣鈱W(xué)計(jì)算、通信和成像系統(tǒng)開(kāi)辟了全新設(shè)計(jì)路徑。"

研究表明，基于人工智能設(shè)計(jì)的RFG器件兼具緊湊性、高效性，對(duì)制造誤差和波長(zhǎng)變化具有魯棒性。這種AI設(shè)計(jì)框架還可進(jìn)一步拓展，實(shí)現(xiàn)RFG的波長(zhǎng)/偏振復(fù)用，以及僅用被動(dòng)結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)單向光路由。

該研究由UCLA薩穆埃利工程學(xué)院的Md Sadman Sakib Rahman博士、Tianyi Gan、Mona Jarrahi教授和Aydogan Ozcan教授共同完成，并獲美國(guó)陸軍研究辦公室（ARO）資助。

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