МЕТАТОЙ - METATOY

Просмотр через множество удлиненных, вертикальных, Призмы голубя, формируя METATOY, который меняет горизонтальное направление проходящих световых лучей. Зеленый прямоугольник, вытянутый в направлении, перпендикулярном к METATOY, кажется изогнутым в виде гиперболы, если смотреть сквозь него. МЕТАТОЙ крупным планом можно увидеть на следующем рисунке.

А МЕТАТОЙ представляет собой лист, образованный двумерным массивом небольших телескопических оптических компонентов, который переключает путь проходящих световых лучей. METATOY - это аббревиатура от «метаматериал для лучей», которая представляет собой ряд аналогий с метаматериалы; МЕТАТЫ даже удовлетворяют некоторым определениям метаматериалов, но определенно не являются метаматериалами в обычном смысле. При наблюдении издалека вид через каждый отдельный телескопический оптический компонент действует как один пиксель обзора через METATOY в целом. В простейшем случае все отдельные оптические компоненты идентичны; Затем METATOY ведет себя как однородное, но пиксельное окно, которое может иметь очень необычные оптические свойства (см. изображение вида через METATOY).

МЕТАТЫ обычно рассматриваются в рамках геометрическая оптика; изменение направления светового луча, выполняемое METATOY, описывается отображение направления любого входящего светового луча на соответствующее направление выходящего луча. Отображения направления световых лучей могут быть очень общими. МЕТАТЫ могут даже создавать пиксельные поля световых лучей, которые не могут существовать в непиксельной форме из-за условия, наложенного волновая оптика.^[1]

Большая часть работы над METATOY в настоящее время носит теоретический характер и поддерживается компьютерным моделированием. На сегодняшний день выполнено небольшое количество экспериментов; дополнительные экспериментальные работы продолжаются.

Примеры МЕТАТОЙ

Крупный план METATOY, образованного массивом вертикальных Призмы голубя, вид сверху. Вид через METATOY показан на предыдущем изображении.

Телескопические оптические компоненты, которые использовались в качестве элементарной ячейки двумерных решеток и поэтому образуют гомогенные METATOY, включают пару идентичных линз (фокусное расстояние ${displaystyle f}$), которые имеют одну и ту же оптическую ось (перпендикулярно METATOY) и разделены ${displaystyle 2f}$, то есть они имеют одну фокальную плоскость (частный случай рефракторный телескоп с угловое увеличение -1);^[2] пара неидентичных линз (фокусные расстояния ${displaystyle f_{1}}$ и ${displaystyle f_{2}}$), которые имеют одну и ту же оптическую ось (снова перпендикулярно METATOY) и разделены ${displaystyle f_{1}+f_{2}}$, то есть они снова имеют одну фокальную плоскость (обобщение первого случая, рефракторный телескоп с любым угловым увеличением);^[3] пара неидентичных линз (фокусные расстояния ${displaystyle f_{1}}$ и ${displaystyle f_{2}}$), которые имеют одну фокальную плоскость, то есть имеют общее направление оптической оси, которое не обязательно перпендикулярно METATOY, и они разделены ${displaystyle f_{1}+f_{2}}$ (обобщение первого случая);^[4] а призма;^[5] и Голубь призма ^[6][7][8][9]

Примеры неоднородных METATOY включают муаровую лупу,^[10] который основан на намеренно "неправильно выровненных" парах конфокальных решетки микролинз; Линзы Френеля, которые можно рассматривать как неоднородные МЕТАТЫ, сделанные из призм; и матовое стекло, который можно рассматривать как крайний случай неоднородной случайной МЕТАТОЙ, сделанной из призм.

Примеры METATOY, как определено выше, существовали задолго до того, как были отмечены аналогии с метаматериалами, и было признано, что METATOY могут выполнять волновые оптически запрещенные отображения направления лучей (в пиксельной форме).^[1]

Волново-оптические ограничения на поля световых лучей и МЕТАТОЙ

Волновая оптика описывает свет на более фундаментальном уровне, чем геометрическая оптика. В пределе лучевой оптики (в котором оптическая длина волны стремится к нулю) скалярной оптики (в которой свет описывается как скалярная волна, приближение, которое хорошо работает для параксиальный свет с униформой поляризация ), поле световых лучей р${displaystyle (x,y,z)}$ соответствует световой волне ${displaystyle u(x,y,z)}$ - его фазовый градиент,^[11]

${displaystyle mathbf {r} (x,y,z)=abla phi (x,y,z),}$

куда ${displaystyle phi (x,y,z)}$ это фаза волны ${displaystyle u(x,y,z)=A(x,y,z)exp(iphi (x,y,z))}$. Но согласно векторное исчисление ротор любого градиента равен нулю, т. е.

${displaystyle abla imes abla phi (x,y,z)=0,}$

и поэтому

${displaystyle abla imes mathbf {r} (x,y,z)=0.}$

Это последнее уравнение является полученным из волновой оптики условием для полей световых лучей (каждое из трех уравнений, составляющих это векторное уравнение, выражает симметрия вторых пространственных производных, так изначально было сформулировано условие.^[1])

На примере листов поворота лучей,^[12] было показано, что МЕТАТЫ могут создавать поля световых лучей, которые не удовлетворяют вышеуказанному условию для полей световых лучей.^[1]

Связь с метаматериалами

МЕТАТЫ не метаматериалы в стандартном понимании. Аббревиатура «метаматериал для лучей» была выбрана из-за ряда сходств между METATOY и метаматериалами,^[1] которые обсуждаются ниже вместе с различиями.Кроме того, метаматериалы послужили источником вдохновения для ранних исследований METATOY, как обобщено в следующей цитате:^[1]

Стремясь создать оптические элементы, обладающие некоторыми визуальными свойствами метаматериалов в обычном масштабе и во всем видимом спектре длин волн, мы недавно начали исследовать листы, образованные миниатюрными оптическими элементами, которые изменяют направление проходящих световых лучей.

Сходства с метаматериалами

Во многих отношениях METATOY аналогичны метаматериалы:^[1]структура: метаматериалы представляют собой массивы небольших (субволновых размеров) волново-оптических компонентов (электромагнитные цепи, резонирующие с оптической частотой), тогда как метаматериалы представляют собой массивы небольших (так что они хорошо работают как пиксели) телескопических, лучево-оптических составные части";функциональность: как метаматериалы, так и METATOY могут вести себя как однородные материалы, в случае метаматериалов - это объем материала, в случае METATOY - листовой материал, в обоих случаях с очень необычными оптическими свойствами, такими как отрицательное преломление.

Отличия от метаматериалов

Возможно, среди самых поразительных свойств метаматериалов есть те, которые в основе своей являются волновыми оптическими, и поэтому не воспроизводятся в METATOY. К ним относятся усиление исчезающих волн, что в принципе может привести к созданию идеальных линз («суперлинз»). ^[13] и увеличивающие суперлинзы («гиперлинзы»);^[14][15] отмена фазовая скорость; отмена Доплеровский сдвиг.

Однако, поскольку они не связаны волново-оптическими ограничениями на поля световых лучей, можно утверждать, что^{[кем? ]} что METATOY могут изменять направление световых лучей, чего не могли бы сделать метаматериалы, если только METATOY не был эффективно построен из метаматериалов.

Смотрите также

• Линза Френеля
• Зональная пластина

Рекомендации

1. А. К. Гамильтон и Дж. Курсьяль (2009). «Метаматериалы для световых лучей: лучевая оптика без волново-оптического аналога в пределе лучевой оптики». Новый J. Phys. 11 (1): 013042. arXiv:0809.4370. Bibcode:2009NJPh ... 11a3042H. Дои:10.1088/1367-2630/11/1/013042.
2. Р. Ф. Стивенс и Т. Г. Харви (2002). «Матрицы линз для системы трехмерной визуализации». J. Opt. Soc. Являюсь. А. 4 (4): S17 – S21. Bibcode:2002JOptA ... 4S..17S. Дои:10.1088/1464-4258/4/4/353.
3. Дж. Курсьяль (2008). «Лучево-оптическое преломление с конфокальными решетками линз». Новый J. Phys. 10 (8): 083033. Bibcode:2008NJPh ... 10h3033C. Дои:10.1088/1367-2630/10/8/083033.
4. А. К. Гамильтон и Дж. Курсьяль (2009). «Обобщенное преломление с использованием решеток линз». J. Opt. Soc. Являюсь. А. 11 (6): 065502. arXiv:0901.3250. Bibcode:2009JOptA..11f5502H. Дои:10.1088/1464-4258/11/6/065502.
5. Цзянь-Юэ Чен; и другие. (2008). «Проектирование оптической системы с применением массива микропризм из пары стереоизображений с одной линзой». Опт. выражать. 16 (20): 15495–15505. Bibcode:2008OExpr..1615495C. Дои:10.1364 / OE.16.015495. PMID  18825188.
6. Туншу Лянь и Мин-Вэнь Чанг (1996). «Новые типы отражающих призм и сборки отражающих призм». Оптическая инженерия. 35 (12): 3427–3431. Bibcode:1996OptEn..35.3427L. Дои:10.1117/1.601103.
7. США 6097554, Уоткинс, Роберт А., "Сборка множественных призм голубя". 
8. Дж. Курсьяль и Дж. Нельсон (2008). "Оптическая лучевая рефракция и псевдоскопические изображения с помощью массивов призм Дове". Новый J. Phys. 10 (2): 023028. Bibcode:2008NJPh ... 10b3028C. Дои:10.1088/1367-2630/10/2/023028.
9. А. К. Гамильтон и Дж. Курсьяль (2008). «Оптические свойства листа Dove-призмы». J. Opt. Soc. Являюсь. А. 10 (12): 125302. Bibcode:2008JOptA..10l5302H. Дои:10.1088/1464-4258/10/12/125302.
10. М. К. Хатли; и другие. (1994). «Муаровая лупа». Pure Appl. Опт .: J. Eur. Опт. Soc. Часть А. 3 (2): 133–142. Bibcode:1994PApOp ... 3..133H. Дои:10.1088/0963-9659/3/2/006.
11. Ландау, Л. Д .; Лифшиц, Э. М. (1992). Klassische Feldtheorie. Akademie Verlag. С. 154–157. ISBN  978-3-05-501550-2.
12. А. С. Гамильтон; и другие. (2009). «Локальное вращение светового луча». J. Opt. Soc. Являюсь. А.
13. Дж. Б. Пендри (2000). «Отрицательное преломление делает идеальную линзу». Phys. Rev. Lett. 85 (18): 3966–3969. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.3966П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.3966. PMID  11041972.
14. З. Джейкоб; и другие. (2006). «Оптические гиперлинзы: изображение дальнего поля за пределами дифракционного предела». Опт. выражать. 14 (18): 8247–8256. arXiv:физика / 0607277. Bibcode:2006OExpr..14.8247J. Дои:10.1364 / OE.14.008247. PMID  19529199.
15. З. Лю; и другие. (2007). "Объекты с ограничением субдифракции, увеличивающие оптические гиперлинзы в дальнем поле". Наука. 315 (5819): 1686. Bibcode:2007Научный ... 315.1686Л. CiteSeerX  10.1.1.708.3342. Дои:10.1126 / science.1137368. PMID  17379801.

внешняя ссылка

• Дидактическая статья по метатоям