变换光学将成为下一次光学革命?

2014-04-07 admin1 89

  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。

  超材料建构块

  变换光学建构块基本上与其他超材料中用的亚波长单元相同。除了金属,还有电介质、金属-介质结构界面产生的表面等离子体激元。这些单元的尺寸和形状通过超材料期望的形变而变化。在可见光波段,单个单元必须小于400?700nm,或者某些超过固体中的1000原子宽。

  研究人员正在探索更多方向。金属的强磁反应可用于生产独特的交互作用,但是在近红外和可见光波段损失大。金属在光学和红外波段的反应有所不同。金属结构的共振效应能产生强交互作用,但效应峰值超出了限制范围。电介质能具备更多的宽带响应和更低的损耗。

  正在探索的各种可能性中,电介质纳米腔共振具有高折射率,这一性质能提供比金属更低的损耗,比真空波长更小的尺度。比如, Valencia理工学院的Lei Shi及其同事(马德里,西班牙)研究了小至250纳米硅胶的近红外共振。他们看好利用空气和水等液体的超材料。

  平面超材料表面

  光学超材料体的制造已经遇到挑战,一些研究人员正在研究平面结构。“光学人工结构表面具有用表面局限、平面分量控制光的可能性,让人着迷。 “Purdue 大学(BloomingTon, IN) 的Vladimir Shalaev和同事最近写道。”超材料表面促使新物理学和现象与三维结构对应的方面明显不同。它们还与片上纳米光子学兼容。

  这些超材料表面将薄金属和电介质图形沉积在一个基片上。其响应与体材料的反射和折射不一致,而且取决于亚波长层的光色散。至今为止,已经在包括红外波段的负折射表面天线阵列和光波段的平面手性效应等方面做过演示实验。超材料表面也在未使用体材料条件下产生了3D效应,Purdue团队希望他们也能控制光的相位、偏振和频率。

  Purdue团队写道,相变材料可以集成到平面半导体超材料表面以用于光开光、光束控制,脉冲整形或调制。他们还提出制造双曲线超材料表面的可能性,类似于通过金属和介电元件的交互产生强各项异性和双曲线色散来批量制造双曲线超材料。体材料版可以极明显改变光的行为,但存在损耗,很难制造。然而,Purdue团队认为准二维双曲线超材料表面损耗更低,能用于标准半导体技术。

  展望

  对开发光学超材料应用潜力而言,变换光学已成为功能强大的范例。Pendry写道“对电磁学来说,这种方法的关键好处是物理内涵,“,他预测,” 电磁理论中,变换光学将成为首选设计工具。“

  面临的挑战可能和潜在的发展前景一样大。此时此刻,超材料革命正在全世界各个实验室的诸多研究方向进行。纳米结构的设计和制造需要新的突破。为制造超材料而用的最佳形状和原料方面尚未形成一致意见。应用领域也还不确定。象半个世纪前的激光一样,今天的超材料似乎成为了一种解决方案,正在寻找问题,但我们知道如何实现它。

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