盖世汽车讯 据外媒报道，韩国联合研究团队开发了一种新的理论框架，即使在结构不规则的材料中，也能抑制某些方向的光散射，同时增强其他方向的光散射。这项研究将以往主要集中于有序晶体结构的光散射控制研究扩展到了无序体系领域。

图片来源：首尔大学

散射——即光在遇到物质时向多个方向分散的过程——在决定众多光学技术的性能方面起着至关重要的作用，这些技术包括眼镜和相机镜头的抗反射涂层、显示器扩散器、自动驾驶汽车的激光雷达传感器以及光通信组件。最终，精确控制散射的能力是决定光学技术竞争力的关键因素。

该研究团队由首尔国立大学工程学院（Seoul National University College of Engineering）电气与计算机工程系Sunkyu Yu教授和Namkyoo Park教授领导，与首尔大学（University of Seoul）Xianji Piao教授合作。新的理论框架名为“非厄米统计晶体学“Non-Hermitian Statistical Crystallography”，不仅考虑了折射率，还考虑了吸收和放大效应。

基于折射率和吸收/放大效应之间的统计相关性和旋转对称性，该理论为分类和设计开放无序材料的散射特性提供了一个概念框架。该研究成果发表于期刊《先进科学》（Advanced Science）。

从晶体到超均匀无序结构

迄今为止，精确控制光的主要方法之一是利用晶体结构，其中原子或微结构以规则的间隔重复排列。然而，研究人员将注意力转向了超均匀结构，这种结构在近距离观察时显得不规则，但在更大尺度上却均匀分布。

用音乐会现场的观众来类比：近距离观察时，人们的站位可能看起来杂乱无章，但如果没有空位或过度拥挤的区域，从远处看，整体密度就显得均匀。类似地，超均匀结构在局部呈现无序状态，但在更大尺度上则均匀分布。这类结构对某些类型的光散射极小。

当这种散射抑制作用扩展到一定的波长和方向范围时，就会出现一种被称为“隐形超均匀性”的现象。就像隐形飞机在某些雷达波长下几乎不留下任何反射信号一样，这种材料在特定的波长和方向范围内对光也变得“隐形”。

以往对超均匀性的研究主要集中在能量守恒的材料上。然而，在实际的光学系统中，光可以通过外部能量的输入而被吸收或放大。能量可以以这种方式进入或离开的开放波系统被称为非厄米系统。

研究人员提出，不应将光的“损耗”和“增益”视为需要消除的问题，而应将其视为新的设计变量。换句话说，他们将理论扩展到能量与外部环境交换的开放系统，从而建立了一种控制散射的新原理。

通过互相关设计方向

研究人员首先确定了非厄米超均匀性所需的条件。他们证明，当折射率和吸收/增益特性均独立满足超均匀性时，可以在长波长范围内保持散射抑制，同时还能调整所需的散射特性。

研究团队随后发现，互相关（描述了折射率和吸收/增益特性在空间上的相对关系）是决定特定方向散射的关键因素。

图片来源：期刊《先进科学》

通过控制这种互相关性，研究人员设计出了定向散射，这种散射可以抑制一个方向上的光，同时增强另一个方向上的光。他们特别证明了可以设计出具有奇数重旋转对称性的散射图样，而这种图样在传统的能量守恒材料中难以实现。

研究人员进一步将这些设计原则组织成一个新的分类框架，称为非厄米统计晶体学。传统的晶体学通过X射线衍射图样为理解和设计晶体结构提供了基础，而新的框架意义重大，因为它拓宽了无序开放材料中可实现的散射响应范围。

潜在用途及后续步骤

该研究团队提出的原理最终可用于设计光学器件，以抑制不必要的散射或将光线定向到所需方向，应用领域包括光通信和光子集成电路、光学传感器和激光雷达、显示器和照明以及医学光学成像。

在光通信领域，该方法可用于设计减少不必要反射的组件；而在自动驾驶汽车的光学传感器领域，它有助于开发抑制特定方向杂散光的技术。该框架还有望促进对制造缺陷具有较强鲁棒性的光学器件以及定向光学传感器的设计。

相关研究人员表示：“这项研究将非厄米波物理和超均匀材料这两个研究领域联系起来，并提出了一个新的框架，用于设计即使在无周期性的无序开放材料中的散射方向性和对称性。”

他们补充道：“接下来，我们计划将提出的理论应用于物理材料平台，并将研究扩展到强多重散射和非厄米能带现象。”