Forskere ved University of California, Los Angeles (UCLA) har afsløret en ny optisk teknologi, der muliggør præcis fokusering af lys – kun i en retning. Denne nye ensrettede fokuseringsdesign bruger strukturerede diffraktive lag, der er optimeret ved hjælp af dyb læring til at transmittere lys effektivt i den forreste driftsretning, mens den effektivt undertrykker uønsket bagudfokusering af lys.
Resultaterne offentliggøres i tidsskriftet Avancerede optiske materialer. Denne innovation tilbyder en kompakt og bredbåndsløsning til den ensrettede levering af stråling med et betydeligt potentiale for anvendelser inden for sikkerhed, forsvar og optisk kommunikation.
Kontrol af asymmetrisk lysformering – hvor lys fortrinsvis bevæger sig i en retning, mens de er blokeret eller spredt i den modsatte retning – har været et langvarigt behov i optiske systemer. Traditionelle løsninger er ofte afhængige af specialiserede materialegenskaber eller ikke-lineære materialer, som kræver relativt komplekse og dyre fabrikationsmetoder, voluminøse hardware og laserkilder med høj effekt.
Andre tilgange, herunder asymmetriske riste og metamaterialer, har vist løfte, men forbliver begrænset på grund af deres polarisering og bølgelængdefølsomhed, komplekse designbegrænsninger og dårlige ydeevne under skråt belysning.
Det nye diffraktive ensrettet lysfokuseringssystem udviklet af UCLA -forskere adresserer disse udfordringer gennem en anden tilgang. Ved at bruge dyb læring for at optimere strukturer i en række passive, isotropiske diffraktive lag, skabte teamet et kompakt og bredbåndsoptisk system, der effektivt fokuserer lys i den fremadgående retning, mens de undertrykker lysfokusering i modsat retning.
Dette design er iboende polarisations-følsom og skalerbar på tværs af flere bølgelængder, hvilket muliggør ensartet ensrettet lysstyring over et bredt spektralt interval. I modsætning til traditionelle metoder, der er afhængige af komplekse materialer eller ikke-lineære optiske effekter, opnår denne dybe læringsbaserede optimerede 3D-struktur asymmetrisk lysformering ved hjælp af passive, isotropiske diffraktive lag, hvilket eliminerer behovet for aktiv modulation eller højeffekt kilder.
UCLA -forskerteamet demonstrerede effektiviteten af deres system ved hjælp af Terahertz (THz) stråling. Ved hjælp af en 3D-printer fremstillede de en to-lags diffraktive struktur, der med succes fokuserede THz-strålingen i den forreste retning, mens de blokerede bagudforplantende energi. Denne eksperimentelle validering bekræftede systemets praktiske kapacitet til altoptisk, passiv kontrol af ensrettet lysformering.
Ved at muliggøre retningsbestemt kontrol med lys uden at stole på aktiv modulation, ikke-lineære materialer eller højeffektkilder, kan denne teknologi bruges til at forbedre effektiviteten og sikkerheden af optiske links med frit rum, især under dynamiske eller støjende forhold. Endvidere gør systemets kompakte og passive karakter det ideelt til integration i avancerede billeddannelses- og sensingsplatforme, hvor retningsbestemt lysstyring kan forbedre signalklarheden og reducere baggrundsinterferens i komplekse eller rodede indstillinger.
Ved at undertrykke uønskede bagreflektioner kan denne teknologi også bruges til at forbedre stabiliteten og ydelsen af en lang række optiske systemer-inklusive laserbearbejdningsplatforme, biomedicinske instrumenter og præcisionsmetrologiopsætninger-hvor det reflekterede lys ellers kan indføre støj, reducere nøjagtighed eller skadefølsomme komponenter.
Alsidigheden og robustheden af denne diffraktive ensrettet fokuseringsdesign gør det til en stærk kandidat til forskellige optiske anvendelser. Efter sin succesrige demonstration i Terahertz -regimet arbejder UCLA -teamet på at skalere teknologien til andre dele af det elektromagnetiske spektrum, herunder de synlige og infrarøde bølgelængder ved hjælp af avancerede nanofabrikationsteknikker.
“Vores diffraktive ensrettet fokuseringssystem introducerer en kompakt, passiv og skalerbar tilgang til asymmetrisk lysbehandling og kontrol,” sagde professor Aydogan Ozcan, seniorforfatteren til publikationen og Volgenau -formanden for teknisk innovation på UCLA. “Vi er begejstrede for den brede vifte af muligheder, denne teknologi kan muliggøre i næste generations optiske kommunikations- og sensingssystemer samt lette leveringssystemer.”