折射是光線穿過不同介質(zhì)時發(fā)生的偏折現(xiàn)象，長期以來受物理定律限制，無法獨立控制不同方向光波的彎曲方式。如今，加州大學洛杉磯分校（UCLA）研究人員開發(fā)出一類新型被動材料，通過結(jié)構設計可實現(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電子與計算機工程系校長講席教授Aydogan Ozcan博士團隊提出一種折射函數(shù)生成器（RFG）的新型器件。該器件能針對每個入射方向獨立定制折射光的出射方向，使光線能依據(jù)預設規(guī)則實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、濾波或重定向——其功能遠超常規(guī)材料或傳統(tǒng)超表面所能實現(xiàn)的范疇。

傳統(tǒng)折射遵循斯涅爾定律，通過固定材料屬性關聯(lián)光線的入射與出射方向。即便先進的超表面設計也只能實現(xiàn)有限的折射調(diào)控。

而RFG采用多層超薄被動透射材料堆疊結(jié)構，每層均通過深度學習在接近光衍射極限的尺度進行結(jié)構設計，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-輸出映射關系。研究團隊證實，這種厚度僅數(shù)十個波長的光學器件能實現(xiàn)置換折射、濾波置換及負折射等復雜波前變換。

圖片:搜狗截圖20250731110420.png

負折射函數(shù)的實驗證明

為驗證該技術，研究人員采用3D打印材料與太赫茲波制作了RFG原型器件。實驗表明這些器件能精確按照預設方向偏折光線，成功實現(xiàn)了折射函數(shù)的任意編程。Ozcan博士表示："這是光場精密調(diào)控技術的重大突破，通過結(jié)構化3D材料編程光折射行為，我們?yōu)楣鈱W計算、通信和成像系統(tǒng)開辟了全新設計路徑。"

研究表明，基于人工智能設計的RFG器件兼具緊湊性、高效性，對制造誤差和波長變化具有魯棒性。這種AI設計框架還可進一步拓展，實現(xiàn)RFG的波長/偏振復用，以及僅用被動結(jié)構材料實現(xiàn)單向光路由。

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

相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-025-62230-x