La réfraction – la flexion de la lumière au fur et à mesure qu'elle passe par différents milieux – a longtemps été limitée par les lois physiques qui empêchent le contrôle indépendant sur la façon dont les ondes légères le long des différentes directions se penchent. Désormais, les chercheurs de l'UCLA ont développé une nouvelle classe de matériaux passifs qui peuvent être structurellement conçus pour «programmer» la réfraction, permettant un contrôle arbitraire sur la flexion des ondes légères.
Dans une étude publiée dans Communications de la natureune équipe dirigée par le Dr Aydogan Ozcan, le professeur du chancelier en génie électrique et informatique à l'UCLA, a introduit un nouvel appareil appelé générateur de fonctions de réfraction (RFG) qui peut adapter indépendamment la direction de sortie de la lumière réfractée pour chaque direction d'entrée. Cet appareil permet à la lumière d'être dirigée, filtrée ou redirigée en fonction des règles conçues sur mesure – plus loin de ce que les matériaux standard ou les métasurfaces traditionnels peuvent atteindre.
La réfraction standard, décrite par la loi de Snell, relie les directions d'entrée et de sortie de la lumière à l'aide de propriétés de matériaux fixes. Même les conceptions avancées de métasurface permettent uniquement une accordabilité limitée de la réfraction.
Le RFG, cependant, utilise une pile très mince de couches transmissives passives – chacune structurellement conçue par l'apprentissage en profondeur à une échelle proche de la limite de diffraction de la lumière – pour définir des fonctions de réfraction complètement arbitraires, découplant efficacement les mappages d'entrée de la réfraction de la lumière. L'équipe de l'UCLA a démontré que ces minces dispositifs optiques, couvrant seulement quelques dizaines de longueurs d'onde d'épaisseur, peuvent effectuer des transformations d'ondes sophistiquées telles que la permutation, la permutation filtrée et la réfraction négative.
Pour valider leur approche, les chercheurs ont fabriqué et testé expérimentalement des RFG en utilisant des matériaux imprimés en 3D et des ondes Terahertz. Ces dispositifs ont réussi à plier la lumière dans des directions définies avec précision, démontrant avec succès la programmation arbitraire des fonctions de réfraction.
« Il s'agit d'un pas en avant significatif dans notre capacité à contrôler et à concevoir avec précision comment la lumière se comporte », a déclaré le Dr Ozcan. « En programmant la réfraction de la lumière à l'aide de matériaux 3D structurés, nous ouvrons de nouvelles opportunités de conception pour les systèmes de calcul optique, de communication et d'imagerie. »
L'étude montre que ces dispositifs RFG peuvent être conçus en utilisant l'IA pour être compact, efficace et robuste contre les imperfections de fabrication et les variations de longueur d'onde. Le cadre de conception basé sur l'IA a également présenté d'autres extensions, notamment la longueur d'onde et le multiplexage de polarisation des RFG, et le routage de lumière unidirectionnelle en utilisant uniquement des matériaux structurés passifs.
Les auteurs de ce travail sont le Dr MD Sadman Sakib Rahman, Tianyi Gan, le professeur Mona Jarrahi et le professeur Aydogan Ozcan, le tout à la UCLA Samueli School of Engineering. Cette recherche a été soutenue par l'US ARO (Army Research Office).
