变换光学芯片上中心引力场弯曲时空的模拟与光束调控

发布时间：2018-01-15 07:20

本文关键词：变换光学芯片上中心引力场弯曲时空的模拟与光束调控　出处：《南京大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：信息技术对人类的生活产生了深刻的影响。众所周知信息的载体主要是电子和光子,从人类发明第一台电子计算机,电子集成技术取得了巨大的成功,笔记本电脑和手机在今天成为日常生活的必需品。而未来信息技术的发展需要速度更快、信道更宽的集成芯片,而光子就是世界上最快的信息载体,因此光子集成芯片对未来信息技术的发展具有重要的应用价值。但是,相比电子集成技术而言,光子集成技术却要相对落后很多。主要是因为光子的波长比电子要大很多,光子器件的集成化比电子器件的集成化要难很多,物理上需要解决很多问题。根据波动光学的惠更斯原理,光在空间中的传播可以通过电磁波的波前运动来描述。如果我们能够在微小尺度下控制光子的波前,就能在芯片上控制光子的运动,实现各种光子集成器件。为此,科学家提出了各种不同的结构体系来实现光子集成芯片,例如：光子晶体、金属表面等离激元、超构材料等等。另一方面,爱因斯坦的广义相对论对于人类认识宇宙起源和天体的运动取得了巨大的成功。根据这个理论,光子在引力场中沿着曲线传播,可以看作是在弯曲时空中的测地线运动。因此,如果我们能够控制时空的弯曲结构,就能够控制光子的传播。但是控制宇宙时空的弯曲远远超出了目前人类科学技术的发展水平。后来,理论学家发现光在不均匀材料中的传播与光在弯曲时空中的传播之间有很好的等价性。因此,有人提出,虽然人们不能在宇宙中控制时空的弯曲,但是人们可以用不均匀材料来模拟引力场的弯曲时空。最近,随着微纳光子学的发展,人们提出了变换光学方法,其基本思想就是从材料电磁本构方程出发,利用材料的电磁参数与时空度规的等价性,在超构材料中控制折射率的不均匀分布来模拟弯曲时空,在微小的光学芯片上“以小见大”,从而在实验室的环境里模拟广义相对论所预言的现象,尤其是由于目前天文观测手段的限制而无法直接观察到的现象,这在物理上具有很重要的科学意义。同时,人们可以将这种变换光学的方法应用到光子集成芯片的设计上,调控光子在光子集成芯片上的传播,为下一代速度更快、信道更宽的集成芯片提供新的技术途径。虽然变换光学的理论方法非常简洁漂亮,给了人们很大的想象空间来设计各种器件,但在实际材料中实现起来,却是非常困难。传统的变换光学材料是通过金属共振单元的结构参数的连续改变来控制空间折射率的分布,这种技术对波长较长的电磁波是很容易实现的,而对于短波长电磁波是非常难的事情。特别是在光学波段,要在非常小的纳米尺寸范围内,连续地改变折射率的分布,在技术上面临很大的挑战。另外,用金属制备的变换光学材料,对高频电磁波具有严重的损耗,这也大大限制了其在光学波段的应用。因此,变换光学的实验主要还是在微波范围内实现,而可见光波段的变换光学研究,大多数还是局限在理论设计层面。为了在可见光波段变换光学的实验技术方面取得突破,我博士期间尝试了多种制备工艺,最后终于找到了一种非常有效的方法来实现可见光波段变换光学器件。实验中,我没有采用传统的金属共振结构,而是在课题组原来研究的基础上,采用平板波导来制作变换光学器件。对于平板介质波导来说,波导模的等效折射率是随着波导的厚度变化而连续改变的。实验中,我通过光刻胶的旋涂工艺制作厚度变化的聚合物波导,以此来控制等效折射率分布。通过这种技术,我们在一块微小的光子芯片上,实现了等效折射率具有类似中心引力场分布的各种变换光学波导,模拟了几种广义相对论的现象,并在此基础上实现了几类具有光波前控制功能的集成光子芯片。另外,传统的变换光学测量是通过近场探针扫描技术,这种技术对于长波长电磁波有很好的探测效果,但对于短波长电磁波,特别是可见光信号,很难达到高分辨探测成像的效果。为此,在课题组技术积累的基础上,采用了一种量子点荧光探针显微成像技术,将这种技术用于变换光学的测量,成功地表征了各种弯曲时空中光子的传播过程。论文主要分为以下几个部分：1、研究在变换光学波导中,控制波导的厚度,来控制等效折射率的分布,实现模拟黑洞周围的中心引力场的分布。在实验上观察到由于黑洞的强引力透镜效应引起的光束偏折、光子捕获,以及光子在“黑洞”视界附近的传播行为。2、研究在变换光学波导的中,将弯曲空间的概念进一步拓展到对在波导中传播光束的波前调控,在实验上通过模拟爱因斯坦环来控制光束的聚焦,利用引力场的潮汐力实现非衍射的准直光束,同时提出了在引力场中实现任意加速光束的理论模型。3、研究变换光学波导中光束的动态调控效应,利用在外界控制激光场下的聚合物本身的光热效应,在变换光学波导中产生非均匀等效折射率分布的中心势场。通过改变控制激光,动态地控制在介质波导中光束的传播,从而实现了一种动态可调的变换光学器件。4、研究变换光学表面等离激元的纳米聚焦,利用金属微球嵌在金属／介质／金属的三明治的简单结构中模拟了SPPs的黑洞,实现黑洞引力场的奇异点,实现了对SPPs的捕获与聚焦。我们同时利用数值模拟方法,研究在该体系中微球的尺寸以及不同的激发波长对SPPs的光场捕获的影响。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O412.1

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