南京大學劉輝/祝世寧課題組聯(lián)合廈門大學陳煥陽課題組，利用共形變換光學理論，制備出能在幾何光學和波動光學下同時工作的器件，并理論上演示了其在數(shù)字編碼方面的潛在應用價值。
2017中國光學重要成果推薦
信息技術的變革深刻影響著人們的工作、生活乃至思想觀念。當前信息的載體主要是電子和光子，隨著電子集成芯片技術越來越接近發(fā)展的極限，摩爾定律正受到越來越嚴峻的挑戰(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受到人們越來越多的關注。
為了實現(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)構等。另一方面，為了突破現(xiàn)有框架，實現(xiàn)更好的光子集成技術，理論學者從基礎物理原理出發(fā)，提出了變換光學的設計方法。
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?；谶@種相似性，人們提出了變換光學的方法，在微結(jié)構材料中通過模擬彎曲時空控制光子的傳播，實現(xiàn)各種光學器件。
近年來，隨著材料加工技術的進步，許多基于變換光學原理的新穎器件在實驗室被制備出來，例如電磁隱身斗篷、光子黑洞、愛因斯坦環(huán)等。在實驗上，變換光學雖然取得了一些成功，但是依然面臨著很多難題。因為根據(jù)變換光學理論，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，利用超構材料的思想，用到的材料基元需要遠小于工作波長，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下和傳統(tǒng)的光學對接。因此，如何設計可以同時在幾何光學和波動光學下工作的器件，具有重要的基礎研究價值。
作為變換光學的分支理論，共形變換光學(Conformal Transformation Optics, CTO)正逐漸受到人們的關注，因為共形變換光學僅要求材料非均勻但各向同性，實現(xiàn)起來比較容易。根據(jù)這個思想，南京大學劉輝/祝世寧課題組聯(lián)合廈門大學陳煥陽課題組，利用共形變換光學理論，制備出能在幾何光學和波動光學下同時工作的器件，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)自聚焦效應實驗照片；(d)自聚焦效應模擬仿真；(e)類Sine曲線實驗照片；(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。該團隊利用共形變換光學理論，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。在實驗室里，借助于漸變折射率光學波導體系，他們精確地制備出了共形變換光學波導——Mikaelian透鏡，并且同時演示了幾何光學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；(b) 共形Talbot效應實驗照片；(c)模擬仿真結(jié)果；(d)解析理論計算結(jié)果。
Talbot效應是指當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。
傳統(tǒng)的Talbot效應由于光源尺寸有限，只能在物體后方一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。因為隨著傳播距離增加，邊界衍射效應變得突出，就無法再現(xiàn)物體圖像，如圖2(a)所示。但是在該團隊所設計的共形變換光學波導里物體的圖像可以傳遞到遠方，如果該過程中沒有損耗，理論上可以傳遞到無限遠的地方，如圖2(b)-(d)所示。
圖3 共形Talbot效應的數(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用價值，可以利用Talbot 效應進行信息編碼并將信息無衍射地傳遞到遠方，如圖3所示。
該工作證明了共形變換光學材料在光子集成芯片技術方面的廣闊應用潛力。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.033902
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