AI设计的3D材质可定制调控光线的弯曲方式

折射是光线穿过不同介质时发生的偏折现象，长期以来受物理定律限制，无法独立控制不同方向光波的弯曲方式。如今，加州大学洛杉矶分校（UCLA）研究人员开发出一类新型被动材料，通过结构设计可实现折射"编程"，从而任意调控光波的偏折方向。

在《自然·通讯》发表的研究中，UCLA电子与计算机工程系校长讲席教授Aydogan Ozcan博士团队提出一种折射函数生成器（RFG）的新型器件。该器件能针对每个入射方向独立定制折射光的出射方向，使光线能依据预设规则实现转向、滤波或重定向——其功能远超常规材料或传统超表面所能实现的范畴。

传统折射遵循斯涅尔定律，通过固定材料属性关联光线的入射与出射方向。即便先进的超表面设计也只能实现有限的折射调控。

而RFG采用多层超薄被动透射材料堆叠结构，每层均通过深度学习在接近光衍射极限的尺度进行结构设计，从而定义完全任意的折射函数，有效解耦了光折射的输入-输出映射关系。研究团队证实，这种厚度仅数十个波长的光学器件能实现置换折射、滤波置换及负折射等复杂波前变换。

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负折射函数的实验证明

为验证该技术，研究人员采用3D打印材料与太赫兹波制作了RFG原型器件。实验表明这些器件能精确按照预设方向偏折光线，成功实现了折射函数的任意编程。Ozcan博士表示："这是光场精密调控技术的重大突破，通过结构化3D材料编程光折射行为，我们为光学计算、通信和成像系统开辟了全新设计路径。"

研究表明，基于人工智能设计的RFG器件兼具紧凑性、高效性，对制造误差和波长变化具有鲁棒性。这种AI设计框架还可进一步拓展，实现RFG的波长/偏振复用，以及仅用被动结构材料实现单向光路由。

该研究由UCLA萨穆埃利工程学院的Md Sadman Sakib Rahman博士、Tianyi Gan、Mona Jarrahi教授和Aydogan Ozcan教授共同完成，并获美国陆军研究办公室（ARO）资助。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-025-62230-x