南京大學(xué)劉輝/祝世寧課題組聯(lián)合廈門大學(xué)陳煥陽課題組，利用共形變換光學(xué)理論，制備出能在幾何光學(xué)和波動光學(xué)下同時工作的器件，并理論上演示了其在數(shù)字編碼方面的潛在應(yīng)用價值。
2017中國光學(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)越來越接近發(fā)展的極限，摩爾定律正受到越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時隨著信息量的爆增，人們對通信速度和容量提出了更高的要求。考慮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)受到人們越來越多的關(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)計方法。
通常情況下，光在平直時空中沿著直線傳播。而根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，光子在彎曲時空中沿著曲線傳播。與之類似，非均勻介質(zhì)中光子的軌跡也是彎曲的。基于這種相似性，人們提出了變換光學(xué)的方法，在微結(jié)構(gòu)材料中通過模擬彎曲時空控制光子的傳播，實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)器件。
近年來，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，例如電磁隱身斗篷、光子黑洞、愛因斯坦環(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，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)對接。因此，如何設(shè)計可以同時在幾何光學(xué)和波動光學(xué)下工作的器件，具有重要的基礎(chǔ)研究價值。
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)起來比較容易。根據(jù)這個思想，南京大學(xué)劉輝/祝世寧課題組聯(lián)合廈門大學(xué)陳煥陽課題組，利用共形變換光學(xué)理論，制備出能在幾何光學(xué)和波動光學(xué)下同時工作的器件，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 魚眼透鏡；(b)黎曼頁上螺旋曲線；(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Sine曲線實(shí)驗(yàn)照片；(f) 類Sine曲線模擬仿真。
早在1854 年，J.C. Maxwell就研究了著名的Maxwell 魚眼透鏡（圖1(a)），近年來研究者發(fā)現(xiàn)，該透鏡具有完美成像的功能。該團(tuán)隊利用共形變換光學(xué)理論，通過指數(shù)共形變換映射到物理空間，并結(jié)合黎曼頁支割線分析（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，并且同時演示了幾何光學(xué)條件下的自聚焦特性（圖1(c), 1(d)）和類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)域該物體的圖像會周期性地出現(xiàn)的現(xiàn)象，因此又稱為自成像或者無透鏡成像。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，其本質(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，就無法再現(xiàn)物體圖像，如圖2(a)所示。但是在該團(tuán)隊所設(shè)計的共形變換光學(xué)波導(dǎo)里物體的圖像可以傳遞到遠(yuǎn)方，如果該過程中沒有損耗，理論上可以傳遞到無限遠(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)用價值，可以利用Talbot 效應(yīng)進(jìn)行信息編碼并將信息無衍射地傳遞到遠(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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