使用衍射處理器的單向聚焦示意圖

美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)的研究團隊開發(fā)出一項新型光學技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)光的單向精確聚焦。這項創(chuàng)新的單向聚焦設計采用結(jié)構(gòu)化衍射層，通過深度學習優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在正向工作時高效傳輸光線，同時有效抑制反向光聚焦現(xiàn)象。相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進光學材料》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、國防和光通信領(lǐng)域具有重要應用潛力。

在光學系統(tǒng)中，實現(xiàn)光的不對稱傳播(光優(yōu)先沿一個方向傳播，而在反方向被阻擋或散射)是長期存在的技術(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，需要相對復雜昂貴的制造工藝、笨重的硬件設備和高功率激光光源。

其他方法如非對稱光柵和超材料雖展現(xiàn)出潛力，但由于偏振和波長敏感性、復雜設計限制以及傾斜照明下性能欠佳等問題，仍存在局限性。UCLA團隊研發(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)。研究團隊利用深度學習優(yōu)化多層被動各向同性衍射層的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建出緊湊的寬帶光學系統(tǒng)，在正向高效聚焦光線的同時抑制反向聚焦。

該設計本質(zhì)上對偏振不敏感，并可在多波長范圍內(nèi)擴展，實現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)穩(wěn)定的單向光控制。與傳統(tǒng)依賴復雜材料或非線性光學效應的方法不同，這種基于深度學習優(yōu)化的3D結(jié)構(gòu)僅使用被動各向同性衍射層就實現(xiàn)了不對稱光傳播，無需主動調(diào)制或高功率光源。

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

衍射單向聚焦系統(tǒng)的設計示意圖和數(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、生物醫(yī)學儀器和精密計量設備等各類光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性與性能——這些系統(tǒng)中反射光通常會引入噪聲、降低精度或損壞敏感元件。這種衍射式單向聚焦設計的通用性和魯棒性使其在多種光學應用中前景廣闊。在太赫茲波段驗證成功后，UCLA團隊正通過先進納米加工技術(shù)將該技術(shù)擴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)為不對稱光處理與控制引入了緊湊、被動且可擴展的解決方案。這項技術(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