Преломление — изменение направления света при переходе из одной среды в другую — долгое время ограничивалось физическими законами, которые не позволяли независимо управлять тем, как световые волны изгибаются в разных направлениях. Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали новый класс пассивных материалов, которые можно структурно спроектировать для «программирования» преломления, обеспечивая произвольный контроль над изгибом световых волн.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, группа под руководством доктора Айдогана Озкана, профессора электротехники и вычислительной техники в UCLA, представила новое устройство под названием генератор рефракционных функций (РФГ), которое может независимо настраивать направление выхода преломлённого света для каждого направления входа.
Стандартное преломление
Стандартное преломление, описываемое законом Снеллиуса, связывает направления входа и выхода света с помощью фиксированных свойств материала. Даже передовые конструкции метаповерхностей позволяют лишь ограниченную настройку преломления.
Принцип работы РФГ
РФГ использует очень тонкую стопку пассивных пропускающих слоёв, каждый из которых структурно спроектирован с помощью глубокого обучения в масштабе, близком к дифракционному пределу света, для определения полностью произвольных рефракционных функций, эффективно разделяя входные и выходные сопоставления преломления света.
Команда UCLA продемонстрировала, что эти тонкие оптические устройства, толщиной всего в несколько десятков длин волн, могут выполнять сложные волновые преобразования, такие как перестановка, фильтрованная перестановка и отрицательное преломление.
Для проверки своего подхода исследователи изготовили и экспериментально протестировали РФГ с использованием 3D-печати и терагерцовых волн. Эти устройства успешно направляли свет в точно заданных направлениях, успешно продемонстрировав произвольное программирование рефракционных функций.
«Это значительный шаг вперёд в нашей способности точно контролировать и проектировать поведение света», — сказал доктор Озкан. «Программируя преломление света с помощью структурированных 3D-материалов, мы открываем новые возможности проектирования для оптических вычислительных систем, связи и визуализации».
Исследование показывает, что эти РФГ-устройства могут быть разработаны с помощью искусственного интеллекта так, чтобы быть компактными, эффективными и устойчивыми к производственным дефектам и изменениям длины волны.
Авторы этой работы — доктор Мд Садман Сакиб Рахман, Тяньйи Ган, профессор Мона Джаррахи и профессор Айдоган Озкан, все из Инженерной школы Самуэли UCLA. Это исследование было поддержано Управлением исследований армии США (ARO).
Предоставлено Институтом технологических достижений Инженерного факультета UCLA.