美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究团队开发出一项新型光学技术，能够实现光的单向精确聚焦。这项创新的单向聚焦设计采用结构化衍射层，通过深度学习优化结构，在正向工作时高效传输光线，同时有效抑制反向光聚焦现象。相关研究成果以《Unidirectional Focusing of Light Using Structured Diffractive Surfaces》为题，发表于《先进光学材料》期刊。该技术为辐射的单向传输提供了紧凑型宽带解决方案，在安防、国防和光通信领域具有重要应用潜力。
在光学系统中，实现光的不对称传播（光优先沿一个方向传播，而在反方向被阻挡或散射）是长期存在的技术需求。传统解决方案通常依赖特殊材料特性或非线性材料，需要相对复杂昂贵的制造工艺、笨重的硬件设备和高功率激光光源。
其他方法如非对称光栅和超材料虽展现出潜力，但由于偏振和波长敏感性、复杂设计限制以及倾斜照明下性能欠佳等问题，仍存在局限性。UCLA团队研发的新型衍射式单向光聚焦系统通过创新方法解决了这些挑战。研究团队利用深度学习优化多层被动各向同性衍射层的结构，创建出紧凑的宽带光学系统，在正向高效聚焦光线的同时抑制反向聚焦。
使用衍射处理器的单向聚焦示意图
该设计本质上对偏振不敏感，并可在多波长范围内扩展，实现了宽光谱范围内稳定的单向光控制。与传统依赖复杂材料或非线性光学效应的方法不同，这种基于深度学习优化的3D结构仅使用被动各向同性衍射层就实现了不对称光传播，无需主动调制或高功率光源。
研究团队使用太赫兹辐射验证了系统有效性。通过3D打印制造的双层衍射结构成功实现了太赫兹辐射的正向聚焦与反向传播能量的阻隔，实验证实了该系统在全光学被动控制单向光传播方面的实用能力。这项技术无需主动调制、非线性材料或高功率光源即可实现光的定向控制，可提升自由空间光链路的效率与安全性，特别适用于动态或嘈杂环境。系统的紧凑被动特性使其非常适合集成到先进成像和传感平台，在复杂环境中增强信号清晰度并降低背景干扰。
衍射单向聚焦系统的设计示意图和数值结果
通过抑制有害背向反射，该技术还可提升激光加工平台、生物医学仪器和精密计量设备等各类光学系统的稳定性与性能——这些系统中反射光通常会引入噪声、降低精度或损坏敏感元件。这种衍射式单向聚焦设计的通用性和鲁棒性使其在多种光学应用中前景广阔。在太赫兹波段验证成功后，UCLA团队正通过先进纳米加工技术将该技术扩展至可见光和红外等电磁频谱范围。
论文通讯作者、UCLA工程创新Volgenau讲席教授Aydogan Ozcan表示："我们的衍射式单向聚焦系统为不对称光处理与控制引入了紧凑、被动且可扩展的解决方案。这项技术为新一代光通信、传感和光传输系统开启的广阔前景令我们倍感振奋。"
相关链接：https://dx.doi.org/10.1002/adom.202403371