共形变换光学结构中光场的调控

发布时间：2020-06-05 17:47

【摘要】：信息技术的变革深刻影响着人们的工作、生活乃至思想观念。当前信息的载体主要是电子和光子,随着电子集成芯片技术越来越接近发展的极限,摩尔定律正受到越来越严峻的挑战。同时随着信息量的增加,人们对通信速度和容量提出了更高的要求,考虑到光子可作为最快速的信息载体,因而光子芯片技术受到人们越来越多的关注。为了实现光子集成,人们提出了各种各样的微纳光子体系,例如:光子晶体、金属表面等离激元、超材料与超表面等。另一方面,为了突破现有框架,实现更好的光子集成技术,一部分理论学者从基础物理原理出发,提出了变换光学的设计方法。通常情况下,光在平直时空中沿着直线传播,在非均匀介质中沿着曲线传播。而根据爱因斯坦广义相对论,光子在弯曲时空的轨迹也是弯曲的。基于这种相似性,人们提出了在微结构材料中通过模拟弯曲时空来控制光子的传播,进而实现各种变换光学器件。变换光学自提出之后,经过这些年的发展,已经成为调控电磁波传播的重要方法,并获得了广泛的共识。作为变换光学的分支理论,共形变换光学(Conformal Transformation Optics:CTO)正逐渐受到人们更多的关注,因为共形变换光学仅要求材料非均匀和各向同性,实现起来比较容易,因此相对于传统变换光学具有一定优势。虽然共形变换光学具有很多新颖的理论设计,但在实验技术上却面临很大的挑战,到目前共形变换光学实验上的工作不是很多,尤其是可见光频段工作少之又少。本论文的主要创新点是:采用聚合物薄膜的自组装技术和显微荧光测量技术,在共形变换光学的结构制备和实验测量技术上取得了突破,在光学波段成功实现了共形变换光学结构,并演示了几种特定功能的共形器件。论文的主要内容包括以下几个方面:1、利用共形变换光学设计方法,在物理空间中获得了 Mikaelian透镜,并运用渐变波导技术加工制备出该器件。紧接着在实验上演示了光线的自聚焦特性和光场干涉现象-Talbot效应,通过进一步研究,证明该器件在数据编码传输方面具有潜在的应用价值。2、基于变换光学设计理论,通过控制聚合物薄膜波导的厚度实现了模拟重力场的分布,在模拟重力场区观察到高斯光束转变为了艾里光束,在整个样品区观察到高斯光束和艾里光束间的可逆演化,最后运用朗道方法定量解释了模拟重力场区艾里光束的产生。3、通过共形变换设计了不同类型的测地线透镜,理论上得到了光线闭合轨迹和光波演化,并得到其频谱是简并和等距的。实验上证明了纺锤体测地线透镜和圆球测地线透镜曲面上光线传播形成闭合的轨迹。作为上述实验延伸部分,我们介绍了基于嵌入图的研究进展和已经取得的其他弯曲波导实验成果。
【图文】：

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肩：＿逡逑图１．１变换光学示意图ｔｌ］。ａ原坐标系下场线（红色）。ｂ新坐标系下场线（红色）。黑色逡逑网格代表空间特性：ａ自由空间，ｂ扭曲空间。逡逑以达到新空间相同的光线传播。如图１．１所示，给出了变换光学理论的空间变换逡逑示意图。图１．１ａ展示初始坐标自由空间（黑色网格）和相应的场线（红线），当逡逑对原空间进行扭曲操作后就可得图１．１ｂ所示弯曲空间（黑色网格），而依附于空逡逑间的场线（红线）也发生相应的变化，沿曲线传播，且两空间中光线的光程是相逡逑等的。如果我们在实验室能够制备出与弯曲空间相对应的材料，那么我们就能对逡逑电磁波的传播进行相应的调控。逡逑－腿－[椋驽搴牛哄义希海海哄澹殄鍠蝀4＾逡逑：藤簿逡逑Ｌｒ邋ＩＸ邋ｔ逦＜？？？逡逑图１．２典型的隐身斗篷的示意图［１］［３７］。ａ光（黄线）在自由空间中传播。ｂ光（黄线）逡逑在扭曲空间中传播，红色圆圈内为隐身区域。ｃ三维隐身斗篷示意图。逡逑３逡逑

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逡逑肩：＿逡逑图１．１变换光学示意图ｔｌ］。ａ原坐标系下场线（红色）。ｂ新坐标系下场线（红色）。黑色逡逑网格代表空间特性：ａ自由空间，ｂ扭曲空间。逡逑以达到新空间相同的光线传播。如图１．１所示，给出了变换光学理论的空间变换逡逑示意图。图１．１ａ展示初始坐标自由空间（黑色网格）和相应的场线（红线），当逡逑对原空间进行扭曲操作后就可得图１．１ｂ所示弯曲空间（黑色网格），而依附于空逡逑间的场线（红线）也发生相应的变化，沿曲线传播，且两空间中光线的光程是相逡逑等的。如果我们在实验室能够制备出与弯曲空间相对应的材料，那么我们就能对逡逑电磁波的传播进行相应的调控。逡逑－腿－[椋驽搴牛哄义希海海哄澹殄鍠蝀4＾逡逑：藤簿逡逑Ｌｒ邋ＩＸ邋ｔ逦＜？？？逡逑图１．２典型的隐身斗篷的示意图［１］［３７］。ａ光（黄线）在自由空间中传播。ｂ光（黄线）逡逑在扭曲空间中传播，红色圆圈内为隐身区域。ｃ三维隐身斗篷示意图。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O43

【参考文献】