變換光學原理(lǐ)設計(jì)黑(hēi)洞微腔

       黑(hēi)洞是存在于宇宙空(kōng)間(jiān)中的一類大(dà)質量天體(tǐ)，因引力極大(dà)，所有(yǒu)進入其視(shì)界內(nèi)的光和(hé)粒子都無法逃逸。受黑(hēi)洞能夠完美吸收視(shì)界內(nèi)物質這一特性啓發，研究人(rén)員一直希望能夠設計(jì)一些(xiē)“人(rén)工黑(hēi)洞”結構，以實現能量收集的最大(dà)化。近日，來(lái)自廈門(mén)大(dà)學的陳煥陽教授和(hé)陳錦輝副教授研究團隊，利用變換光學原理(lǐ)構造了一類可(kě)以完全抑制(zhì)輻射損耗的光學黑(hēi)洞微腔，相關成果以《保角光學黑(hēi)洞微腔》為(wèi)題發表于光學期刊《eLight》。

自黑(hēi)洞被預測以來(lái)，科學家(jiā)們一直在探索如何在地球上(shàng)模拟黑(hēi)洞，随着超材料的發展，這一大(dà)膽設想正在逐步實現。陳煥陽告訴科技(jì)日報記者，理(lǐ)論上(shàng)，通(tōng)過調節超材料的等效電(diàn)磁參數(shù)可(kě)以使光波産生(shēng)如拐彎或被完全吸收的現象，從而模拟出黑(hēi)洞、宇宙弦和(hé)愛(ài)因斯坦環等引力效應，這種設計(jì)可(kě)以對光波進行(xíng)自由調控。

回音(yīn)壁光學微腔是集成光學基本元件，如同聲波能沿着天壇的回音(yīn)壁傳播很(hěn)遠距離一樣，光子也會(huì)在微腔表面沿着環形邊界傳播。不過長期以來(lái)，這類回音(yīn)壁光學微腔固有(yǒu)的輻射損耗問題一直困擾着研究人(rén)員，特别是當微腔尺寸接近于光波長時(shí)，輻射損耗将顯著增加。受人(rén)工黑(hēi)洞研究的啓發，研究團隊利用變換光學原理(lǐ)成功解決了回音(yīn)壁微腔輻射損耗這一技(jì)術(shù)難點。

用折射率的空(kōng)間(jiān)變化與彎曲時(shí)空(kōng)的等價實現對電(diàn)磁波任意調控的方法，被稱為(wèi)變換光學。基于麥克斯韋方程組在坐(zuò)标變換下具有(yǒu)形式不變的特性，研究人(rén)員通(tōng)過對物理(lǐ)空(kōng)間(jiān)中的光進行(xíng)保角變換操作(zuò)，即在坐(zuò)标函數(shù)變換過程中保持曲線夾角不變，構造了一類圓對稱的光學黑(hēi)洞微腔。

陳錦輝介紹，區(qū)别于傳統均勻折射率的回音(yīn)壁微腔，基于變換光學原理(lǐ)設計(jì)的微腔在包層具有(yǒu)獨特的梯度折射率分布，從而構造出一個(gè)始終大(dà)于光子能量的勢壘，使得(de)光子無法隧穿，從而被有(yǒu)效束縛在微腔中。研究人(rén)員還(hái)制(zhì)備了截斷的光學黑(hēi)洞微腔器(qì)件，并進行(xíng)了微波實驗測量，證實了該設計(jì)方案的有(yǒu)效性。

“根據這一設計(jì)思路，此類圓對稱光學黑(hēi)洞微腔還(hái)可(kě)推廣至任意形狀，例如單核的四極子腔與雙核的類花(huā)生(shēng)形腔等。”陳煥陽表示，基于變換光學原理(lǐ)設計(jì)光學微腔的策略，不僅為(wèi)調控微腔表面光場(chǎng)提供了一種新的思路，還(hái)可(kě)以推廣到聲波和(hé)彈性波等其他波系統的共振模式，并有(yǒu)望在能量收集和(hé)片上(shàng)集成光子器(qì)件設計(jì)領域得(de)到應用。