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共形變換光學(xué)中的自聚焦和Talbot效應(yīng)

星之球科技 來(lái)源:中國(guó)激光2017-08-03 我要評(píng)論(0 )   

南京大學(xué)劉輝/祝世寧課題組聯(lián)合廈門(mén)大學(xué)陳煥陽(yáng)課題組,利用共形變換光學(xué)理論,制備出能在幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)下同時(shí)工作的器件,并理論上演示了其在數(shù)字編碼方面的潛在應(yīng)...

南京大學(xué)劉輝/祝世寧課題組聯(lián)合廈門(mén)大學(xué)陳煥陽(yáng)課題組,利用共形變換光學(xué)理論,制備出能在幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)下同時(shí)工作的器件,并理論上演示了其在數(shù)字編碼方面的潛在應(yīng)用價(jià)值。

2017中國(guó)光學(xué)重要成果推薦
 
信息技術(shù)的變革深刻影響著人們的工作、生活乃至思想觀念。當(dāng)前信息的載體主要是電子和光子,隨著電子集成芯片技術(shù)越來(lái)越接近發(fā)展的極限,摩爾定律正受到越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),同時(shí)隨著信息量的爆增,人們對(duì)通信速度和容量提出了更高的要求??紤]到光子可作為最快速的信息載體,因而光子集成芯片技術(shù)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。
 
為了實(shí)現(xiàn)光子集成,人們提出了各種的微納光子體系,例如:光子晶體、金屬表面等離激元、超材料與超表面、硅基光子結(jié)構(gòu)等。另一方面,為了突破現(xiàn)有框架,實(shí)現(xiàn)更好的光子集成技術(shù),理論學(xué)者從基礎(chǔ)物理原理出發(fā),提出了變換光學(xué)的設(shè)計(jì)方法。
 
通常情況下,光在平直時(shí)空中沿著直線傳播。而根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論,光子在彎曲時(shí)空中沿著曲線傳播。與之類(lèi)似,非均勻介質(zhì)中光子的軌跡也是彎曲的?;谶@種相似性,人們提出了變換光學(xué)的方法,在微結(jié)構(gòu)材料中通過(guò)模擬彎曲時(shí)空控制光子的傳播,實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)器件。
 
近年來(lái),隨著材料加工技術(shù)的進(jìn)步,許多基于變換光學(xué)原理的新穎器件在實(shí)驗(yàn)室被制備出來(lái),例如電磁隱身斗篷、光子黑洞、愛(ài)因斯坦環(huán)等。在實(shí)驗(yàn)上,變換光學(xué)雖然取得了一些成功,但是依然面臨著很多難題。因?yàn)楦鶕?jù)變換光學(xué)理論,為了任意調(diào)控電磁波,材料參數(shù)就要求是非均勻和各向異性的,這樣的材料制備起來(lái)非常困難。
 
除此之外,利用超構(gòu)材料的思想,用到的材料基元需要遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng),以確保材料參數(shù)的等效性,這樣,器件的大小就不能做得太大,也不容易在幾何光學(xué)下和傳統(tǒng)的光學(xué)對(duì)接。因此,如何設(shè)計(jì)可以同時(shí)在幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)下工作的器件,具有重要的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值。
 
作為變換光學(xué)的分支理論,共形變換光學(xué)(Conformal Transformation Optics, CTO)正逐漸受到人們的關(guān)注,因?yàn)楣残巫儞Q光學(xué)僅要求材料非均勻但各向同性,實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。根據(jù)這個(gè)思想,南京大學(xué)劉輝/祝世寧課題組聯(lián)合廈門(mén)大學(xué)陳煥陽(yáng)課題組,利用共形變換光學(xué)理論,制備出能在幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)下同時(shí)工作的器件,并理論上演示了其在數(shù)字編碼方面的潛在價(jià)值。相關(guān)研究成果發(fā)表在Phy s . Rev. Lett. [119, 033902 (2017)] 上,并被編輯選為推薦論文。
 
 
圖1  (a) Maxwell 魚(yú)眼透鏡;(b)黎曼頁(yè)上螺旋曲線;(c)自聚焦效應(yīng)實(shí)驗(yàn)照片;(d)自聚焦效應(yīng)模擬仿真;(e)類(lèi)Sine曲線實(shí)驗(yàn)照片;(f) 類(lèi)Sine曲線模擬仿真。
 
早在1854 年,J.C. Maxwell就研究了著名的Maxwell 魚(yú)眼透鏡(圖1(a)),近年來(lái)研究者發(fā)現(xiàn),該透鏡具有完美成像的功能。該團(tuán)隊(duì)利用共形變換光學(xué)理論,通過(guò)指數(shù)共形變換映射到物理空間,并結(jié)合黎曼頁(yè)支割線分析(圖1 (b)),得到了Mikaelian透鏡。在實(shí)驗(yàn)室里,借助于漸變折射率光學(xué)波導(dǎo)體系,他們精確地制備出了共形變換光學(xué)波導(dǎo)——Mikaelian透鏡,并且同時(shí)演示了幾何光學(xué)條件下的自聚焦特性(圖1(c), 1(d))和類(lèi)Sine曲線(圖1(e),1(f))。
 
圖2  (a)傳統(tǒng)的Talbot效應(yīng);(b) 共形Talbot效應(yīng)實(shí)驗(yàn)照片;(c)模擬仿真結(jié)果;(d)解析理論計(jì)算結(jié)果。
 
Talbot效應(yīng)是指當(dāng)周期性物體被相干光照射后,在物體后方一定區(qū)域該物體的圖像會(huì)周期性地出現(xiàn)的現(xiàn)象,因此又稱(chēng)為自成像或者無(wú)透鏡成像。該現(xiàn)象于1836年被Henry Fox Talbot首次發(fā)現(xiàn),于1881年被Lord Rayleigh 首次從理論上解釋?zhuān)浔举|(zhì)是干涉效應(yīng)。
 
傳統(tǒng)的Talbot效應(yīng)由于光源尺寸有限,只能在物體后方一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。因?yàn)殡S著傳播距離增加,邊界衍射效應(yīng)變得突出,就無(wú)法再現(xiàn)物體圖像,如圖2(a)所示。但是在該團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的共形變換光學(xué)波導(dǎo)里物體的圖像可以傳遞到遠(yuǎn)方,如果該過(guò)程中沒(méi)有損耗,理論上可以傳遞到無(wú)限遠(yuǎn)的地方,如圖2(b)-(d)所示。
 
圖3 共形Talbot效應(yīng)的數(shù)字編碼功能演示。(a),(b),(c)編碼信息源分別為010001000100010001000100010001000100,011001100110011001100110011001100110,011101110111011101110111011101110111。
 
 更為有趣的是,通過(guò)進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)該器件在數(shù)據(jù)編碼方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,可以利用Talbot 效應(yīng)進(jìn)行信息編碼并將信息無(wú)衍射地傳遞到遠(yuǎn)方,如圖3所示。
 
 該工作證明了共形變換光學(xué)材料在光子集成芯片技術(shù)方面的廣闊應(yīng)用潛力。
 
論文鏈接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.033902

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共形變換光學(xué)理論Talbot效應(yīng)
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