南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室， 人工微结构科学与技术协同创新中心，江苏 南京 210093
变换光学的发展与应用为实现片上集成多频传输和宽带非线性光子器件的设计提供了新的方法。基于变换光学理论模型，通过在铌酸锂（LiNbO3）薄膜光子晶体中调控色散和群速度的空间分布，获得了具有片上彩虹捕获特性的波导器件。通过对非线性四波混频过程进行分析，展示了其在宽带四波混频方面具有良好的应用前景。同时，所设计的变换光学波导结构也可应用于其他集成非线性光学器件。
物理光学 光学器件 彩虹捕获 铌酸锂薄膜 变换光学 光子晶体 光学学报
2022, 42(21): 2126012
华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 武汉 430074
硅基集成光子器件具有体积小、集成度高的突出优势, 在光通信、数据中心光互连等领域具有广阔应用前景。然而, 硅基波导耦合器件尺寸相对较大、工作带宽和工艺容差受限。硅基多模路由光子器件设计还面临挑战。文章介绍了近年来发展起来的两种硅基集成光子器件先进设计方法: 绝热捷径法和变换光学方法, 简要阐述其物理原理, 并展示在硅基集成光子器件设计中的典型应用。
硅基集成光子器件 绝热捷径法 变换光学方法 silicon-based integrated optical devices shortcuts to adiabaticity transformation optics
超材料作为一种突破性的人工设计材料,在电磁波调控领域起到了革命性的作用。变换光学与超材料的结合不仅可以充分发挥超材料的奇妙特性,实现许多神奇的效应,还可以用作光学模拟,展现一些无法直接观测到的宇宙学现象。由于超材料自身结构的局限性,有些电磁参数仍无法通过微结构的调控来实现,这时曲面开始受到人们的关注。曲面结构的波导也可以对电磁波起到调控的作用,更可以突破超材料的一些限制,实现许多新奇的效应。通过介绍南京大学刘辉课题组在曲面结构波导上的一系列工作,展示了曲面波导在各个方向上的奇妙应用,并讨论了曲面波导的应用前景。
光学器件 变换光学 弯曲空间 曲面波导 广义相对论
南京大学物理学院固体微结构国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心, 江苏 南京 210093
超表面是一种亚波长厚度的二维超构材料,可高效调控电磁波的近场辐射,而变换光学提供了通过设计材料的电磁参数来调控电磁波以预设路径进行传播的理论方法。利用变换光学概念可以模拟广义相对论中弯曲时空的现象。介绍了利用超表面波导开展类比引力的实验工作,模拟宇宙早期暴胀过程中所产生的一维拓扑缺陷——宇宙弦,观察在拓扑非平庸宇宙弦时空中电磁波的定向散射。此外,在超表面波导中引入材料损耗,对希格斯场的相变利用光学模式的对称性破缺进行模拟。对研究现状进行综述,并结合目前研究基础分析超表面的研究前景及发展趋势。
物理光学 变换光学 类比引力 超表面 拓扑缺陷 激光与光电子学进展
2019, 56(20): 202402
国防科技大学 新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室, 湖南 长沙 410073
龙伯透镜天线是一种独特的渐变折射率透镜天线, 但因为某些缺陷其应用受到限制。近年来, 人们采用变换光学方法和超材料理论设计了许多以平板龙伯透镜为代表的新型透镜天线。本文对比总结了变换光学设计透镜的3种方法, 即坐标变换法、保角变换法和准保角变换法; 指出了准保角变换法由于设计灵活、可使用全介电材料制备而更具研究和应用前景; 详细阐述了准保角变换法设计透镜的原理和步骤; 介绍了国内外关于透镜变换和制备具有影响力的研究成果; 指出了变换光学透镜天线今后的研究方向。
透镜天线 龙伯透镜 变换光学 超材料 准保角变换法 lens antenna Luneburg lens transformation optics metamaterial quasi-conformal mapping
上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室,上海 200093
基于变换光学理论,提出了一种新型的各向异性均匀的压缩变换介质。通过坐标变换,该压缩变换介质将一片选定的均匀各向同性的自由物理空间“压缩”至一个小的变换区域,并通过补偿介质(ε=μ=-1)来补偿除了压缩区域之外的那片自由空间,以保持空间场分布的连续性。当两个分离的点光源分别处于该压缩变换介质之中的时候,它们能够形成完美的光学重叠效应,即形成完美的光学相干效应。利用有效介质理论,可以进一步简化变换介质参数,获得各向同性均匀的压缩变换介质实现光学重叠效应。该研究在高能相干激光中具有潜在的应用。
变换光学 光学重叠 有效介质理论 transformation optics overlapped optics effective medium theory
卡尔斯鲁厄理工学院应用物理系, 卡尔斯鲁厄 76128, 德国
变换光学(Transformation Optics)可以使几何空间上的变化转移到非均匀光学超材料的光学参量的变化上。光学隐身就是其中典型的例子,就在几年前人们还认为这是不可能的。为了制备光频段、宽带、偏振不敏感、三维的光强、相位隐身材料,利用激光直写结合受激辐射耗尽技术,可以突破传统的衍射极限。这种变换的思想同样可以应用到其他领域,如力学(确切地说,弹性动力学)和热力学。还讨论了相关的实验过程和研究结果。
超材料 负折射率 变换光学 变换物理学 metamaterials negative refractive index transformation optics transformation physics
云南大学信息学院无线创新实验室, 云南 昆明 650091
超材料放大装置能够将物体任意放大，其在小目标识别和检测中有广泛的潜在应用。为了促进该装置的实际应用，基于变换光学原理提出了一种新的简化材料参数设计方法。该方法通过选择适当的变换方程，使得材料参数的径向和角向分量为常数而仅轴向分量随半径变化，同时还能确保装置的外边界与自由空间阻抗完全匹配。全波仿真结果验证了该方法的有效性和放大装置的良好性能。此外，分析了材料损耗和参数抖动对装置性能的影响，扩展了变换光学理论的应用，为超材料器件的参数简化提供了一种新的、可行的解决方案。
变换光学 超材料 放大装置 简化参数设计 全波仿真 激光与光电子学进展
2014, 51(10): 101601
1 中国科学院理化技术研究所, 北京 100190
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714
变换光学基于麦克斯韦方程的形式不变性,可以任意地控制电磁场达到需要的空间分布, 是最近光学及电子工程领域的热门研究方向。从历史发展的角度回顾了变换光学概念的产生历程, 简要介绍变换光学的基本物理原理,并结合光学隐身、光学幻觉和波导工程等现代光学工程试验总结了 在当前科学和工程领域中的代表性应用。介绍近期变换光学新概念框架的进展以及在声学、热学、 量子波领域中应用的拓展,讨论变换光学未来理论和工程方面的发展方向。
变换光学 微分几何 隐身 transformation optics differential geometry invisibility cloaking
根据变换光学理论，提出了利用超常材料调控光束束宽及将有限束宽光束变成线光束的理论方案，得到了所需超常材料的介电常数和磁导率的解析结果。应用这些结果，可以实现对光束束宽的调控或者将有限束宽光束压缩成线光束。利用有限元分析方法进行全波仿真，仿真结果与理论相符合,可应用于压缩或扩展电磁波束的能量密度。线光束中心处的场能量密度极大，可应用于增强非线性光学效应等方面。
变换光学 超常材料 光束束宽 线光束 transformation optics metamaterials beamwidth line beam
