使用衍射處理器的單向聚焦示意圖

美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一項(xiàng)新型光學(xué)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)光的單向精確聚焦。這項(xiàng)創(chuàng)新的單向聚焦設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化衍射層，通過深度學(xué)習(xí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在正向工作時(shí)高效傳輸光線，同時(shí)有效抑制反向光聚焦現(xiàn)象。相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)光學(xué)材料》期刊。該技術(shù)為輻射的單向傳輸提供了緊湊型寬帶解決方案，在安防、國(guó)防和光通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。

在光學(xué)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)光的不對(duì)稱傳播(光優(yōu)先沿一個(gè)方向傳播，而在反方向被阻擋或散射)是長(zhǎng)期存在的技術(shù)需求。傳統(tǒng)解決方案通常依賴特殊材料特性或非線性材料，需要相對(duì)復(fù)雜昂貴的制造工藝、笨重的硬件設(shè)備和高功率激光光源。

其他方法如非對(duì)稱光柵和超材料雖展現(xiàn)出潛力，但由于偏振和波長(zhǎng)敏感性、復(fù)雜設(shè)計(jì)限制以及傾斜照明下性能欠佳等問題，仍存在局限性。UCLA團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型衍射式單向光聚焦系統(tǒng)通過創(chuàng)新方法解決了這些挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)優(yōu)化多層被動(dòng)各向同性衍射層的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建出緊湊的寬帶光學(xué)系統(tǒng)，在正向高效聚焦光線的同時(shí)抑制反向聚焦。

該設(shè)計(jì)本質(zhì)上對(duì)偏振不敏感，并可在多波長(zhǎng)范圍內(nèi)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)穩(wěn)定的單向光控制。與傳統(tǒng)依賴復(fù)雜材料或非線性光學(xué)效應(yīng)的方法不同，這種基于深度學(xué)習(xí)優(yōu)化的3D結(jié)構(gòu)僅使用被動(dòng)各向同性衍射層就實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱光傳播，無需主動(dòng)調(diào)制或高功率光源。

研究團(tuán)隊(duì)使用太赫茲輻射驗(yàn)證了系統(tǒng)有效性。通過3D打印制造的雙層衍射結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了太赫茲輻射的正向聚焦與反向傳播能量的阻隔，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該系統(tǒng)在全光學(xué)被動(dòng)控制單向光傳播方面的實(shí)用能力。這項(xiàng)技術(shù)無需主動(dòng)調(diào)制、非線性材料或高功率光源即可實(shí)現(xiàn)光的定向控制，可提升自由空間光鏈路的效率與安全性，特別適用于動(dòng)態(tài)或嘈雜環(huán)境。系統(tǒng)的緊湊被動(dòng)特性使其非常適合集成到先進(jìn)成像和傳感平臺(tái)，在復(fù)雜環(huán)境中增強(qiáng)信號(hào)清晰度并降低背景干擾。

衍射單向聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)示意圖和數(shù)值結(jié)果

通過抑制有害背向反射，該技術(shù)還可提升激光加工平臺(tái)、生物醫(yī)學(xué)儀器和精密計(jì)量設(shè)備等各類光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與性能——這些系統(tǒng)中反射光通常會(huì)引入噪聲、降低精度或損壞敏感元件。這種衍射式單向聚焦設(shè)計(jì)的通用性和魯棒性使其在多種光學(xué)應(yīng)用中前景廣闊。在太赫茲波段驗(yàn)證成功后，UCLA團(tuán)隊(duì)正通過先進(jìn)納米加工技術(shù)將該技術(shù)擴(kuò)展至可見光和紅外等電磁頻譜范圍。

論文通訊作者、UCLA工程創(chuàng)新Volgenau講席教授Aydogan Ozcan表示："我們的衍射式單向聚焦系統(tǒng)為不對(duì)稱光處理與控制引入了緊湊、被動(dòng)且可擴(kuò)展的解決方案。這項(xiàng)技術(shù)為新一代光通信、傳感和光傳輸系統(tǒng)開啟的廣闊前景令我們倍感振奮。"

審核編輯 黃宇