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变换光学将成为下一次光学革命?

导读: 变换光学和超材料能在实验室里制造科幻隐身斗篷,有希望实现很多前所未见的光学壮举——现在的一大挑战是将象牙塔里的新概念变为现实。

  变换光学(Transformation optics)和超材料(metamaterial,也称人工结构材料)能在实验室里制造科幻隐身斗篷,有希望实现很多前所未见的光学壮举——现在的一大挑战是将象牙塔里的新概念变为现实。

  超材料已经改变了光学规则。纳米结构材料能在亚波长范围控制光,对长期被认为不可行的、从负折射到隐形斗篷产生影响。十二年来,以前一直让人反应过激的超材料已发展成为最让人兴奋的光子学领域之一。

  然而,超材料和变换光学的这一光明前景源于其已经慢慢扩展到实际应用中。隐形斗篷能在实验室被演示,但通常只能从一个特定的角度看隐藏在单色光照射下的小物体。主要影响取决于共振,所以他们在宽带照明下不能工作。远小于光波长的纳米结构很难精密制造,批量制造更难。能与光波实现理想交互的结构材料很难找到。当前的挑战是克服这些限制并开发出实际应用。

  超材料的发展

  超材料第一次被演示是在微波频率,是从对人造介质的早期研究中发展起来的。基本理念是将很多亚波长单元阵列(包括导体和介质)组装成体结构,否则无法获得超材料特性,特别是折射率。

  传统光学中,折射率n通常被定义为光在真空中传播速度与在该材料中速度的比值。然而,潜在物理意义依赖于两个更基本的数据——介电常数ε和磁导率μ,n实际上等于

  n=±εμ

  在真空中,ε和μ都被定义为1,所以在真空中n=1。在介质中(如玻璃材料)中这两个数据都是正数;但在可见光波段导体中有负介电常数、正磁导率,所以他们的复数折射率有一个大的负分量,因此金属有大的衰减。

  成分均匀的天然材料,其折射率是均匀的,因为光波只“看”体材料,而不是原子。同样,对光波来说,超材料具有均匀的折射率,因为很多相同、间隔均匀的单元尺度远远小于波长。然而,这种建构的超材料的磁导率和介电常数值能被设计,实现传统光学不可能实现的折射率,如n=-1时,光进入超材料后便可使光向后弯曲。

  超材料的介电常数和磁导率的有效性取决于光波如何与内部成分交互作用。规则金属线阵列能产生有效的介电常数,根据不同的尺寸、间距和排列方式,介电常数可从正数到负数间变化。同样,调整开口环单元的设计方式就能产生大范围的磁导率。光学效应与配备亚波长天线阵列的无线电波的效应相似。

  变换光学

  由亚波长单元的均匀阵列构成的超材料基本上都是为独特性质设计的定制材料。然而,当设计拓展到包括亚波长单元的非均匀阵列,将产生更多选择,为变换光学这一新领域打开了大门,将超越几何光学、在超材料中操纵电磁场。

  “我们对光的直觉理解是把它近似为射线,与我们的视觉紧密相关。对我们的眼睛来说,光的行为就像粒子流。”超材料先驱、帝国理工的John Pendry在Science期刊里写道。标准光线近似法认为光以直线方式穿过物体,从而得到一个均匀的折射系数。然而,在亚波长范围,光线影像失效,结构设计能以任意方式改变电场线和磁场线的传播,这在传统块状光学中是不可能的。这就是变换光学的领地。

  传统光学用费马原理描述折射率的变化如何影响光的传播路径。“变化光学这一新兴领域使我们可以相反地解决问题,也就是,如何通过设计各种材料的属性来实现特定光路。”Liu Yongming和Zhang Xiang写道。因此,为了使用隐形斗篷隐藏物体,他们可以指定他们想要的光路来引导光,然后使用变换光学设计跟随这一光路的光所需的超材料。

  设计二维隐形斗篷需要绕过隐藏物体的光路;变换光学就被用来设计这样的超材料斗篷。变换光学同样可以用于设计制造各类镜头、光束旋转器、波束移位器以及光幻视所用的超材料结构单元。

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