研究前沿：光折射的任意编程-折射函数生成器/深度学习+3D打印=无需超材料 | Nature Communications

斯涅尔定律说明了光在两种介质界面上的折射现象。

今日，加利福尼亚大学洛杉矶分校Md Sadman Sakib Rahman，Aydogan Ozcan等，在Nature Communications上发文，报道了基于工程材料，实现了光折射的任意编程，其中输出波的方向，可以针对输入波的不同方向独立设置，覆盖输入和输出孔径之间任意选择的光折射置换permutation。

该折射函数发生器refractive function generator (RFG)主要由一组具有优化相位分布的级联透射层形成，在轴向上仅跨越几十个波长。除了单色RFG设计之外，还报道了波长复用折射函数，其中通过相同的工程材料体积，在每个波长处，实现不同的折射函数，即，通过改变照明波长，将光折射阵列从一个期望函数切换到另一个函数。

作为概念的实验证明，利用3D打印材料演示了光谱太赫兹部分置换和负折射函数。折射函数的任意编程，实现了光学材料、器件和系统的新设计能力。

折射函数的程序设计

图1:编程折射函数。

图2:具有K=8RFG设计的任意置换的折射函数实现。

图3:RFG的波长灵敏度和紧凑性。

图4:为任意置换折射函数设计的RFG的输出衍射效率增强。

图5:具有K=8RFG设计的任意滤波和置换折射函数实现。

图6:使用K=5 RFG设计的负折射函数。

图7:具有RFG任意置换折射函数的波长复用。

图8:在λ=0.75mm处，负折射函数的实验演示。

图9:实验RFG结果的可视化和定量分析。

图10:实现置换折射函数的RFG设计、制造和实验验证。

• 主体材料：3D打印聚合物（如PMMA），折射率约1.65（太赫兹波段），通过调整表面浮雕结构实现相位调制。

• 优势：低损耗、易加工，支持大尺寸复杂结构制备（单层含20万相位单元）。

• 设计：用深度学习优化8层透射表面相位分布，每层含200×200个相位单元（单元尺寸0.53λ）。

• 加工：Stratasys Objet30 V2 Pro 3D打印机逐层制造聚合物结构。

• 测试：太赫兹源（0.4 THz）入射，扫描探测器测量输出场分布，验证负折射角误差<2°（图6）及置换折射精度（角误差<1.4°，图10）。

研究亮点：

1. 突破传统材料限制：

• 无需负折射率超材料或亚波长结构，仅通过宏观相位梯度表面即可实现任意折射调控，大幅降低制备难度。

• 证明3D打印聚合物可制备高性能太赫兹器件，为低成本、可定制光学材料提供路径。

• 同一器件通过波长切换（λ₁=0.70 mm, λ₂=0.75 mm, λ₃=0.80 mm）执行不同折射函数（图7），无需材料色散工程。

• 支持光路动态编程，为紧凑型光互联、定向能传输和智能成像系统提供新材料解决方案。

关键创新点：将“折射功能”从材料固有属性转化为可编程结构参数，实现“结构即功能”的材料设计革命。