Des chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont dévoilé une nouvelle technologie optique qui permet une mise au point précise de la lumière – uniquement dans une direction. Cette nouvelle conception de focalisation unidirectionnelle utilise des couches diffractives structurées qui sont optimisées en utilisant l'apprentissage en profondeur pour transmettre efficacement la lumière dans le sens avant de fonctionnement tout en supprimant efficacement la mise au point indésirable de la lumière.
Les résultats sont publiés dans la revue Matériaux optiques avancés. Cette innovation offre une solution compacte et à large bande pour la livraison unidirectionnelle de rayonnement avec un potentiel significatif d'applications en matière de sécurité, de défense et de communications optiques.
Le contrôle de la propagation de la lumière asymétrique – où la lumière se déplace préférentiellement dans une direction tout en étant bloquée ou dispersée dans la direction opposée – a été un besoin de longue date dans les systèmes optiques. Les solutions traditionnelles reposent souvent sur des propriétés de matériaux spécialisées ou des matériaux non linéaires, qui nécessitent des méthodes de fabrication relativement complexes et coûteuses, du matériel volumineux et des sources laser haute puissance.
D'autres approches, y compris des réseaux asymétriques et des métamatériaux, se sont révélés prometteurs mais restent limités en raison de leur polarisation et de leur sensibilité à la longueur d'onde, des contraintes de conception complexes et de mauvaises performances sous un éclairage oblique.
Le nouveau système de focalisation unidirectionnel diffractif développé par les chercheurs de l'UCLA relève ces défis grâce à une approche différente. En utilisant l'apprentissage en profondeur pour optimiser les structures d'une série de couches diffractives isotropes passives, l'équipe a créé un système optique compact et à large bande qui concentre efficacement la lumière dans le sens avant tout en supprimant la lumière se concentrant dans le sens inverse.
Cette conception est intrinsèquement insensible à la polarisation et évolutive sur plusieurs longueurs d'onde, permettant un contrôle de lumière unidirectionnel cohérent sur une large gamme spectrale. Contrairement aux méthodes traditionnelles qui reposent sur des matériaux complexes ou des effets optiques non linéaires, cette structure 3D optimisée basée sur l'apprentissage en profondeur réalise une propagation de lumière asymétrique en utilisant des couches diffractives isotropes passives, éliminant le besoin de modulation active ou de sources de haute puissance.
L'équipe de recherche de l'UCLA a démontré l'efficacité de son système en utilisant le rayonnement Terahertz (THz). À l'aide d'une imprimante 3D, ils ont fabriqué une structure diffractive à deux couches qui a réussi à concentrer le rayonnement THz dans la direction avant tout en bloquant l'énergie de propagation arrière. Cette validation expérimentale a confirmé la capacité pratique du système pour le contrôle passif tout optique de la propagation de la lumière unidirectionnelle.
En permettant le contrôle directionnel de la lumière sans s'appuyer sur la modulation active, les matériaux non linéaires ou les sources de haute puissance, cette technologie peut être utilisée pour améliorer l'efficacité et la sécurité des liaisons optiques en espace libre, en particulier dans des conditions dynamiques ou bruyantes. De plus, la nature compacte et passive du système le rend idéal pour l'intégration dans les plates-formes d'imagerie et de détection avancées, où le contrôle directionnel de la lumière peut améliorer la clarté du signal et réduire les interférences de fond dans des paramètres complexes ou encombrés.
En supprimant les réflexions indésirables, cette technologie peut également être utilisée pour améliorer la stabilité et les performances d'un large éventail de systèmes optiques, y compris les plates-formes d'usinage laser, les instruments biomédicaux et les configurations de métrologie de précision – où la lumière réfléchie peut autrement introduire du bruit, réduire la précision ou les composants sensibles aux dommages.
La polyvalence et la robustesse de cette conception de focalisation unidirectionnelle diffractive en font un candidat solide pour diverses applications optiques. Après sa démonstration réussie dans le régime de Terahertz, l'équipe de l'UCLA s'efforce de mettre à l'échelle la technologie vers d'autres parties du spectre électromagnétique, y compris les longueurs d'onde visibles et infrarouges, en utilisant des techniques de nanofabrication avancées.
« Notre système de focalisation unidirectionnel diffractif introduit une approche compacte, passive et évolutive du traitement et du contrôle asymétriques de la lumière », a déclaré le professeur Aydogan Ozcan, l'auteur principal de la publication et la chaise de Volgenau pour l'innovation technique à l'UCLA. « Nous sommes ravis du large éventail de possibilités que cette technologie peut permettre dans les systèmes de communication et de détection optiques de nouvelle génération ainsi que les systèmes de livraison de lumière. »
