变换光学及其应用

变换光学及其应用

作者：梁昂昂

来源：《科学与财富》2018年第20期

摘要：长期以来，变换光学做为普通光学的技术性升级给人以“高冷”的印象。但是，2006年隐身斗篷被发明出来，变换光学的技术应用让人眼前一亮。并且经过多年的技术沉淀，变换光学已经成为多种科学器件得以实现应用价值的核心技术。本文以多方位视角，对变换光学的理论概念、分析方法、器件应用做出系统性的说明，以期帮助相关学者对变换光学有一个全面、清晰的认识。

关键词：变换光学；隐身斗篷；分析方法；器件应用；

引言

随着科技的发展，原始激光光束已经无法满足其在科技领域的实际应用需求，人們在工作中要解决激光变换传输的问题，如光的扩散、准直、波形、聚焦等。变换光学的出现很好的帮助激光应用突破了变换传输的技术性问题，在世界科技领域引起了众多学者的重视。早在1989年，我国学术界就已经开展了有关变换光学专项研究的工作，为我国的各大科技事业的进步，提供了不可替代的理论支持。所以，开展变换光学的学术研究，对变换光学的普及与后续科研有着重要的科学意义。

一、变换光学理论简述

从学术理论上来讲，变换光学是研究小角度散发光波通过特定的光学技术改变传输方式的一门学科；从物理原理上来讲，换光学就是利用超材料改变光学粒子空间坐标，进而构建出新的传输光束，当然这要在特定的电磁辐射带宽内进行。由此可见，超材料是变换光学的实现物

理呈现的基础。就好像爱因斯坦在广义相对论提出重力是改变时间和空间的因素一样，超材料也是改变光粒子传播指向的一种因素。

目前，比较接近大众认知的变换光学案例就是太阳能的应用，即通过特定超材料设备，将太阳光集中在一个区域内，再将太阳光承载的能量收集到太阳电池中。可见变换光学是极具科学实践价值的一门物理学科。

二、变换光学常见分析方法

变换光学在科学器件上的技术应用，离不开一个切实的数据分析过程。常见的变换光学分析法有很多，例如：衍射积分法、矩阵表述法、算子代数法、高斯括号法、几何光学法等等。其中，变换光学最常用的分析方法就是衍射分析法和矩阵表述法。

首先需要说明的是，不管是衍射分析法还是矩阵表述法，都离不开空间直角坐标系的创建。所以，我们以光束原始传播“侧垂直”方向为x轴，光束原始传播“上垂直”方向为y轴，光束原始传播“0角度”方向为z轴，则光束在x*y平面上的位置和方向都可以用坐标（qx，qy）和动量（Px，Py）表示。根据以上设定，在展开分析方法说明之前我们先列举出以下变量：

（1）坐标：qx=x，qy=y；

（2）动量：Px=n*x/（1+xn2+yn2）1/2；Py=n*y/（1+xn2+yn2）1/2，其中n为介质折射率；

（3）动力运算变量：xn=x/z；yn=y/z；

（4）旁轴近似动量：Px=n*xn；Py=n*yn；

（5）……

在明确好各种光离子移动位置变量和能量变量之后，就可以开始衍射积分法和矩阵表述法的分析了。其中，衍射分析法要额外引入独有的基尔霍夫概念和名为“倾斜角度”的辅助运算定量，具有代表性的分析案例就是计算激光核聚变系统中“高斯激光束”通过空间滤波器前后的带宽变动。另外，矩阵表述法要额外引入著名的ABCD定律以及光束修复参数等概念，具有代表性的分析案例就是描述“高斯激光束”通过透镜前后的矩阵布局变动。

三、变换光学的应用表现

（1）新型微波器件

变换光学在新型微波器件上的应用比较有代表性的就是隐身斗篷的设计。隐身斗篷也可以称为微波隐身斗篷，是利用纳米硅质材料（超材料的一种）对光线吸收或折射，进而达到让穿戴物体隐身的效果。微波隐身斗篷的物理效果得以实现，关键点就在于纳米硅质材料对原始光束传播的转变，曾有人形象的将微波隐身斗篷的物理原理比喻为河水（原始光束）绕过鹅卵石（纳米硅质材料），这也是变换光学在学术界立足的研究定点。

另外，随着国内外众多专家对隐身斗篷的研究不断深入，人们发现关系到隐身斗篷成败的超材料不再局限于纳米硅质。单质黄金、导电银和氟化镁叠合物等材料都具备实现隐身斗篷物理效果的能力。只是受限于原材料的成本过于高昂，此项技术研究仍在进行中。相信在不久的将来，适合制造隐身斗篷的超材料会被研制出来，并将变换光学技术大量应用到纳米成像、半导体工业、军事建设等领域中去。

（2）表面等离子体激元器件

实际上，表面等离子体积元是在金属表面发生的一种电磁振荡现象，是金属内部自由电子和光子相互作用形成的结果。其基本原理是，电磁波在传播过程中接触到金属表面时会因为动力冲撞引起金属表层的自由电子产生集体震动，并且自动因子的电磁波和被动因子的自由电子在冲撞过程中会产生一种沿着金属表面传播的新型电磁波（垂直方向动力迅速衰减，甚至消失）。具体过程如图3-1：

变换光学在表面等离子体激元器件上的应用可以划分为两个方向：金属表面内部的光束传播控制和金属表面垂直方向的光束传播控制。其中，金属表面内部的光束传播控制是在等离子体激元的表层界面上进行原始光束传播的改变，但不改变等离子体激元垂直界面上的原始光束传播，比较有代表性的应用有面内隐身器件、改变光波宽度、改变光波方向、表面等离子体黑洞、分束器件等。与之相对，金属表面垂直方向的光束传播控制的物理原理是在等离子体激元的垂直界面上进行原始光束传播的改变，但不改变等离子体激元表层界面上的原始光束传播，比较有代表性的应用有解决金属介质表面的不平整情况。

（3）新型热力变换器件

严格来讲，变换光学在新型热力变换器件上的应用是一个“模仿”。在人们发现了变换光学的基本原理后，科学家们开始思考能否使用类似原理实现热力扩散上的传输变换。经过多项实验认证，此想法是可行的，具有代表性的应用有热力集中器、旋转热场器、热力隐身斗篷等。但是，热力是以能量的形式存在，不像光波、磁场那样具有特定规律的传播轨道，所以，新型热力变换器件在热能传播方向人为控制上只能实现短时间的操作。例如，热能隐形斗篷只能在短时间内通过热力场改变影像呈现，而这种理想效果要长时间持续下去需要大量的辅助工具。

（4）多物理场隐身器件