Трансформационная оптика - Transformation optics

Статьи о
Электромагнетизм
Соленоид

Трансформационная оптика применяется метаматериалы производить пространственные вариации, производные от преобразования координат, который может направлять выбранные пропускная способность из электромагнитное излучение. Это может позволить строительство новых композитные искусственные устройства, которые, вероятно, не могли бы существовать без метаматериалов и преобразования координат. Вычислительная мощность, которая стала доступной в конце 1990-х, позволяет предписанные количественные значения для диэлектрическая проницаемость и проницаемость, то основные параметры, которые производят локальные пространственные вариации. Суммарное значение всех составляющих параметров дает эффективное значение, который дает желаемые или желаемые результаты.

Следовательно, сложные искусственные материалы, известные как метаматериалы, используются для преобразования оптического пространства.

Математика, лежащая в основе оптики преобразований, аналогична уравнениям, описывающим, как сила тяжести искривляет пространство и время, в общая теория относительности. Однако вместо пространство и время, эти уравнения показывают, как свет может быть направлен выбранным образом, аналогично искривлению пространства. Например, одно потенциальное приложение собирает Солнечный свет с романом солнечные батареи концентрируя свет в одной области. Следовательно, широкий спектр обычных устройств можно было бы значительно улучшить, применив трансформирующую оптику.[1][2][3][4][5]

Координатные преобразования

Оптика трансформации берет свое начало в двух исследованиях и их выводах. Они были опубликованы 25 мая 2006 г. в том же номере рецензируемого журнала. Наука. В двух документах описываются разумные теории изгиба или искажения. свет к электромагнитно скрыть объект. Обе статьи, в частности, отображают начальную конфигурацию электромагнитные поля на Декартово сетка. Скручивание декартовой сетки, по сути, преобразует координаты электромагнитных полей, которые, в свою очередь, скрывают данный объект. Таким образом, с этими двумя статьями родилась трансформационная оптика.[5]

Оптика трансформации подписывается на способность изгиба свет, или же электромагнитные волны и энергия любым предпочтительным или желаемым способом для желаемого применения. Уравнения Максвелла не меняются, хотя координаты преобразовать. Вместо этого значения выбранных параметров материалов «трансформируются» или изменяются в течение определенного периода времени. Оптика трансформации развивалась из способности выбирать, какие параметры для данного материала, известного как метаматериал. Следовательно, поскольку уравнения Максвелла сохраняют ту же форму, это последовательные значения диэлектрическая проницаемость и проницаемость которые меняются со временем. Проницаемость и проницаемость в некотором смысле являются ответами на электрический и магнитные поля излучаемого источника света, соответственно, среди других описаний. Точную степень электрического и магнитного отклика можно контролировать в метаматериале точка за точкой. Поскольку можно поддерживать такой большой контроль над реакциями материала, это приводит к улучшенному и очень гибкому градиент-индекс материал. Условно предопределенный показатель преломления обычных материалов становятся независимыми пространственными градиентами, которыми можно управлять по желанию. Таким образом, трансформационная оптика - это новый метод создания новых и уникальных оптические устройства.[1][2][6][7]

Оптика трансформации может выходить за рамки маскировки (имитировать небесную механику), потому что ее контроль траектории и пути света очень эффективен. Трансформационная оптика - это область оптический и материаловедение и наука обнимая нанофотоника, плазмоника, и оптический метаматериалы.

События

Разработки в этой области сосредоточены на достижениях в исследование трансформационной оптики. Оптика трансформации - это основа для изучения разнообразного набора теоретический, числовой, а также экспериментальные разработки, охватывающие перспективы физика и инженерные сообщества. Междисциплинарные перспективы исследования и разработки материалов развивают понимание их поведения, свойств и потенциальных приложений в этой области.

Если преобразование координат может быть получено или описано, луч света (в оптическом пределе) будет следовать за линиями с постоянной координатой. Существуют ограничения на преобразования, перечисленные в ссылках. Однако в целом конкретная цель может быть достигнута с помощью более чем одного преобразования. Классический цилиндрический плащ (сначала смоделированный и продемонстрированный экспериментально) можно создать с помощью множества преобразований. Самым простым и наиболее часто используемым является отображение линейных координат в радиальной координате. В настоящее время ведутся серьезные исследования по определению преимуществ и недостатков определенных типов преобразований, а также того, какие атрибуты желательны для реалистичных преобразований. Одним из примеров этого является широкополосный ковровый плащ: использованное преобразование было квазиконформным. Такое преобразование может дать маскировку, которая использует неэкстремальные значения диэлектрическая проницаемость и проницаемость в отличие от классического цилиндрического плаща, который требовал, чтобы некоторые параметры изменялись в сторону бесконечности на внутреннем радиусе плаща.

Могут быть получены общие преобразования координат, которые сжимают или расширяют пространство, изгибают или скручивают пространство или даже изменяют топологию (например, имитируя червоточина ). Большой интерес в настоящее время связан с проектированием невидимость плащи, плащи для мероприятий, концентраторы поля или изгиб пучка волноводы.

Имитация небесной механики

Взаимодействие свет и иметь значение с пространство-время, как предсказано общая теория относительности, можно изучать с помощью нового типа искусственные оптические материалы обладающие исключительными способностями преломлять свет (что на самом деле электромагнитное излучение ). Это исследование устанавливает связь между недавно появившейся областью искусственного оптические метаматериалы к тому из небесная механика, открывая тем самым новую возможность исследовать астрономические явления в лабораторных условиях. Недавно представленный новый класс специально разработанных оптических носителей может имитировать периодический, квазипериодический и хаотические движения наблюдается в небесные объекты которые подверглись гравитационные поля.[8][9][10]

Таким образом, появился новый класс метаматериалов, получивший название «ловушки для фотонов с непрерывным индексом» (CIPT). CIPTz находят применение в качестве оптических резонаторов. Таким образом, CIPT могут управлять, замедлять и улавливать свет аналогично небесным явлениям, таким как черные дыры, странные аттракторы, и гравитационные линзы.[8][9]

Композит воздуха и диэлектрического фосфида арсенида галлия-индия (GaInAsP ), работала в инфракрасный спектрального диапазона и отличался высоким показатель преломления с низкой абсорбцией.[8][11]

Это открывает путь для исследования световых явлений, имитирующих орбитальное движение, странные аттракторы и хаос в контролируемой лабораторной среде путем объединения исследования оптические метаматериалы с классической небесной механикой.[9]

Если метаматериал могут быть произведены без высоких внутренних потерь и узких частота диапазон действия, то его можно было бы использовать как тип средства массовой информации имитировать движение света в искривленном пространстве-времени вакуум. Такое предложение выдвигается, и метаматериалы становятся перспективными медиа в этом типе исследования. Классическая оптико-механическая аналогия открывает возможность изучения распространения света в однородный media как точная аналогия движению массивных тел и света в гравитационных потенциалах. Прямое картирование небесных явлений осуществляется путем наблюдения фотон движение в контролируемой лабораторной среде. Материалы могут способствовать периодическому, квазипериодическому и хаотическому движению света, свойственному небесным объектам, подвергающимся воздействию сложных гравитационных полей.[8]

Скручивание оптический метаматериал переводит свое «пространство» в новые координаты. Свет, распространяющийся в реальном пространстве, будет искривлен в искривленном пространстве, как это применяется в трансформационной оптике. Этот эффект аналогичен звездному свету, когда он проходит через более близкое расстояние. гравитационное поле и испытывает искривленное пространство-время или гравитационное линзирование эффект. Это аналог классического электромагнетизм и общая теория относительности, показывает потенциал оптических метаматериалов для изучения явлений относительности, таких как гравитационная линза.[8][11]

Наблюдения астрономов за такими небесными явлениями иногда могут занять целое столетие ожидания. Хаос в динамических системах наблюдается в таких разнообразных областях, как движение молекул, популяционная динамика и оптика. В частности, планета вокруг звезды может совершать хаотическое движение при наличии возмущения, например, на другой большой планете. Однако из-за больших пространственных расстояний между небесными телами и длительных периодов изучения их динамики прямое наблюдение хаотического движения планет оказалось сложной задачей. Использование оптико-механической аналогии может позволить проводить такие исследования в лабораторных условиях в любое заданное время.[8][11]

Исследование также указывает на дизайн новые оптические резонаторы и фотонные ловушки для применения в микроскопических приборах и лазерных системах.[8]

Создание черных дыр из метаматериалов

Иметь значение распространение в изогнутом пространство-время похож на электромагнитный распространение волн в искривленное пространство и в однородный метаматериал, как указано в предыдущем разделе. Следовательно черная дыра возможно моделирование с использованием электромагнитных полей и метаматериалов. В июле 2009 г. метаматериал была теоретизирована структура, образующая эффективную черную дыру, и численное моделирование показало высокоэффективный свет поглощение.[10][12]

Первая экспериментальная демонстрация электромагнитной черной дыры на микроволновая печь частоты произошли в октябре 2009 года. Предлагаемая черная дыра состоит из нерезонансных и резонансных структур из метаматериалов, которые могут эффективно поглощать электромагнитные волны, приходящие со всех направлений, благодаря локальному контролю электромагнитные поля. Он был построен из тонкого цилиндр на 21,6 см в диаметр состоящий из 60 концентрических колец метаматериалы. Эта структура создала градиент показатель преломления, необходимые для отклонения света таким образом. Однако он был охарактеризован как искусственно неполноценный заменитель настоящего черная дыра. Эти характеристики были оправданы поглощением всего 80% в микроволновом диапазоне и отсутствием внутренних источник энергии. Это особый поглотитель света. Способность к поглощению света могла бы быть полезной, если бы ее можно было адаптировать к таким технологиям, как солнечные элементы. Однако устройство ограничено микроволновым диапазоном.[13][14]

Также в 2009 году трансформационная оптика была использована для имитации черной дыры Форма Шварцшильда. Подобные свойства фотонная сфера были также найдены численно для черной дыры из метаматериала. Для упрощения реализации было предложено несколько сокращенных версий систем черных дыр.[15]

При компьютерном моделировании Массачусетского технологического института, проведенном Фангом, наряду с лабораторными экспериментами, создается метаматериал с многослойной пилообразной структурой, которая замедляет и поглощает свет в широком диапазоне длин волн и в широком диапазоне углов падения с эффективностью 95%. У этого есть очень широкое окно для цветов света.

Многомерная вселенная

Инженерное оптическое пространство с использованием метаматериалов может быть полезно для воспроизведения точной лабораторной модели физической мультивселенной. "Этот «метаматериальный ландшафт» может включать регионы, в которых одно или два пространственных измерения компактифицированы.«Модели метаматериалов, по-видимому, полезны для нетривиальных моделей, таких как трехмерное пространство де Ситтера с одним компактифицированным измерением, двухмерное пространство де Ситтера с двумя компактифицированными измерениями, 4D де Ситтера dS4 и пространства анти-де Ситтера AdS4.[10][16]

Линзирование с градиентным индексом

Трансформационная оптика используется для увеличения возможностей линз с градиентным показателем преломления.

Обычные оптические ограничения

Оптические элементы (линзы) выполняют множество функций, от формирования изображения до светового проецирования или сбора света. Производительность этих систем часто ограничивается их оптическими элементами, которые определяют вес и стоимость системы и заставляют искать компромисс между параметрами системы, такими как фокусное расстояние, поле зрения (или угол приема), разрешение и дальность.[17]

Обычные линзы в конечном итоге ограничены геометрией. Доступные конструктивные параметры - это единый показатель преломления (n) для каждой линзы, вариации профиля поверхности элемента, включая непрерывные поверхности (кривизна линзы) и / или прерывистые поверхности (дифракционная оптика). Световые лучи преломляются на поверхностях каждого элемента, но движутся по прямым линиям внутри линзы. Поскольку пространство для проектирования обычной оптики ограничено комбинацией показателя преломления и структуры поверхности, коррекция аберраций (например, с помощью ахроматической или дифракционной оптики) приводит к большим, тяжелым, сложным конструкциям и / или большим потерям, меньшим качество изображения и производственные трудности.[17]

Линзы GRIN

Линзы с градиентным показателем преломления (или линзы GRIN), как следует из названия, представляют собой оптические элементы, показатель преломления которых варьируется в пределах линзы. Управление внутренней рефракцией позволяет направлять свет через линзу по искривленным траекториям. Таким образом, оптика GRIN увеличивает пространство для проектирования, включая весь объем оптических элементов, обеспечивая возможность значительного уменьшения размера, веса, количества элементов и стоимости сборки, а также открывая новое пространство для торговли между параметрами производительности. Однако предыдущие попытки создать линзы GRIN с большой апертурой имели ограниченный успех из-за ограниченного изменения показателя преломления, плохого контроля профилей показателя преломления и / или серьезных ограничений по диаметру линзы.[17]

Последние достижения

Недавние шаги в области материаловедения привели по крайней мере к одному методу разработки больших (> 10 мм) линз GRIN с трехмерными индексами градиента. Есть возможность добавления расширенных возможностей деформации к линзам GRIN. Это приводит к контролируемому расширению, сжатию и сдвигу (для линз с переменным фокусным расстоянием или асимметричных оптических вариаций). Эти возможности были продемонстрированы. Кроме того, последние достижения в трансформирующей оптике и вычислительной мощности предоставляют уникальную возможность конструировать, собирать и изготавливать элементы, чтобы повысить полезность и доступность линз GRIN в широком диапазоне систем, зависящих от оптики, в зависимости от потребностей. Возможной будущей возможностью может стать дальнейшее совершенствование методов и инструментов проектирования линз, которые связаны с расширенными процессами производства.[17]

Приложения Battlefield

Оптика трансформации имеет потенциальное применение на поле боя. Универсальные свойства метаматериалов могут быть адаптированы для удовлетворения практически любых практических потребностей, а трансформационная оптика показывает, что пространство для света можно искривлять практически любым произвольным образом. Это воспринимается как предоставление солдатам новых возможностей на поле боя. Для сценариев боя выгоды от использования метаматериалов имеют как краткосрочные, так и долгосрочные последствия.[18]

Например, очень сложно быстро определить, является ли облако на расстоянии безвредным или это аэрозоль вражеского химического или биологического оружия. Однако с развитием новых метаматериалов появилась возможность видеть вещи, размер которых меньше длины волны света - то, чего еще предстоит достичь. дальнее поле. Использование метаматериалов при создании новой линзы может позволить солдатам видеть патогены и вирусы, которые невозможно обнаружить с помощью любого визуального устройства.[18]

Использование субволна затем возможности позволяют делать другие достижения, которые выходят за пределы поля битвы. С помощью нано-производства можно производить все виды материалов, которые могут использоваться в электронных и оптических устройствах, от очков ночного видения до датчиков расстояния и других типов датчиков. Более долгосрочные виды включают возможность маскирующих материалов, которые будут обеспечивать «невидимость» за счет перенаправления света вокруг цилиндрической формы.[18]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Pendry, J.B .; Schurig, D .; Смит, Д. Р. (2006). «Управление электромагнитными электромагнитными полями». Наука. 312 (5514): 1780–1782. Bibcode:2006Научный ... 312.1780P. Дои:10.1126 / science.1125907. PMID  16728597. S2CID  7967675.
  2. ^ а б Леонхардт, Ульф (июнь 2006 г.). «Оптическое конформное отображение». Наука. 312 (5781): 1777–1780. Bibcode:2006Научный ... 312.1777Л. Дои:10.1126 / science.1126493. PMID  16728596. S2CID  8334444.
  3. ^ Schurig, D .; и другие. (2006). «Электромагнитный плащ из метаматериалов на сверхвысоких частотах». Наука. 314 (5801): 977–980. Bibcode:2006Научный ... 314..977С. Дои:10.1126 / science.1133628. PMID  17053110. S2CID  8387554. Недавно опубликованная теория предполагает, что маскировка невидимости в принципе возможна, по крайней мере, в узкой полосе частот. Мы описываем здесь первую практическую реализацию такого плаща.
  4. ^ Лю, Р; Джи, С; Mock, J. J .; Chin, J. Y .; Cui, T. J .; Смит, Д. Р. (16 января 2009 г.). "Широкополосный плащ наземного самолета". Наука. 323 (5912): 366–369. Bibcode:2009Sci ... 323..366L. Дои:10.1126 / science.1166949. PMID  19150842. S2CID  206516809.
  5. ^ а б «Трансформационная оптика может привести к множеству радикальных достижений». Азонано. 17 октября 2008 г.. Получено 2010-05-24.
  6. ^ Пендри, сэр Джон (2006). «Оптика трансформации». Имперский колледж Лондон. Получено 2010-05-24.
  7. ^ Шуриг, Дэвид; Дэвид Смит; Стив Каммер (2008). «Оптика трансформации и маскировка». Центр метаматериалов и интегрированной плазмоники. Получено 2010-05-24.
  8. ^ а б c d е ж грамм Genov, Dentcho A .; Чжан, Шуанг; Чжан, Сян (20.07.2009). «Имитация небесной механики в метаматериалах» (PDF). Природа Физика. 5 (9): 687–692. Bibcode:2009НатФ ... 5..687Г. Дои:10.1038 / nphys1338.
  9. ^ а б c Яррис, Линн; Сян Чжан (20 июля 2009 г.). «Проверка теории относительности, черных дыр и странных аттракторов в лаборатории». Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. Получено 2010-06-05.
  10. ^ а б c Леонхардт, Ульф; Филбин, Томас G (2006). «Общая теория относительности в электротехнике». Новый журнал физики. 8 (10): 247. arXiv:cond-mat / 0607418. Bibcode:2006NJPh .... 8..247л. Дои:10.1088/1367-2630/8/10/247. S2CID  12100599.
  11. ^ а б c Genov, Dentcho A .; Чжан, Шуанг; Чжан, Сян (2009). «Имитация небесной механики в метаматериалах». Природа Физика. 5 (9): 687–692. Bibcode:2009НатФ ... 5..687Г. Дои:10.1038 / nphys1338.
  12. ^ Нариманов, Э. Э .; Кильдишев, А. В. (2009). «Оптическая черная дыра: широкополосный всенаправленный поглотитель света». Письма по прикладной физике. 95 (4): 041106. Bibcode:2009АпФЛ..95д1106Н. Дои:10.1063/1.3184594.
  13. ^ Ченг, Цян; Цуй, Тие Цзюнь; Цзян, Вэй Сян; Цай, Бен Гэн (2009). «Электромагнитная черная дыра из метаматериалов». arXiv:0910.2159 [физика. оптика ].
  14. ^ Матсон, Джон (2009-10-29). «Исследователи создают электромагнитную« черную дыру »размером с салатную тарелку». Scientific American. Получено 2009-04-20.
  15. ^ Хуанян Чен; Ронг-Синь Мяо; Мяо Ли (2010). «Трансформационная оптика, имитирующая систему вне черной дыры Шварцшильда». Оптика Экспресс. 15188 (14): 15183–15188. arXiv:0912.4856. Bibcode:2010OExpr..1815183C. Дои:10.1364 / OE.18.015183. PMID  20640003. S2CID  19634131.
  16. ^ Смольянинов, Игорь I (2011). Мультивселенная "Метаматериал"'". Журнал оптики. 13 (2): 024004. arXiv:1005.1002. Bibcode:2011JOpt ... 13b4004S. Дои:10.1088/2040-8978/13/2/024004.
  17. ^ а б c d Управление стратегических технологий (1 февраля 2010 г.). «Производимая оптика с градиентным индексом (M-GRIN)». DARPA. Получено 2010-06-04.
  18. ^ а б c Кайзер, Линди OCPA - Отдел по связям со СМИ (21 августа 2008 г.). «Армейские исследования невидимости, а не научная фантастика». Армия США. Получено 2010-06-04.

Дополнительная литература и общие ссылки