天天速遞!用變換光學(xué)原理造出“人工黑洞”

2022-10-12 15:55:33


(資料圖)

黑洞是存在于宇宙空間中的一類大質(zhì)量天體,因引力極大,所有進(jìn)入其視界內(nèi)的光和粒子都無法逃逸。受黑洞能夠完美吸收視界內(nèi)物質(zhì)這一特性啟發(fā),研究人員一直希望能夠設(shè)計一些“人工黑洞”結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)能量收集的最大化。近日,來自廈門大學(xué)的陳煥陽教授和陳錦輝副教授研究團(tuán)隊,利用變換光學(xué)原理構(gòu)造了一類可以完全抑制輻射損耗的光學(xué)黑洞微腔,相關(guān)成果以《保角光學(xué)黑洞微腔》為題發(fā)表于光學(xué)期刊《eLight》。

自黑洞被預(yù)測以來,科學(xué)家們一直在探索如何在地球上模擬黑洞,隨著超材料的發(fā)展,這一大膽設(shè)想正在逐步實現(xiàn)。陳煥陽告訴科技日報記者,理論上,通過調(diào)節(jié)超材料的等效電磁參數(shù)可以使光波產(chǎn)生如拐彎或被完全吸收的現(xiàn)象,從而模擬出黑洞、宇宙弦和愛因斯坦環(huán)等引力效應(yīng),這種設(shè)計可以對光波進(jìn)行自由調(diào)控。

回音壁光學(xué)微腔是集成光學(xué)基本元件,如同聲波能沿著天壇的回音壁傳播很遠(yuǎn)距離一樣,光子也會在微腔表面沿著環(huán)形邊界傳播。不過長期以來,這類回音壁光學(xué)微腔固有的輻射損耗問題一直困擾著研究人員,特別是當(dāng)微腔尺寸接近于光波長時,輻射損耗將顯著增加。受人工黑洞研究的啟發(fā),研究團(tuán)隊利用變換光學(xué)原理成功解決了回音壁微腔輻射損耗這一技術(shù)難點。

用折射率的空間變化與彎曲時空的等價實現(xiàn)對電磁波任意調(diào)控的方法,被稱為變換光學(xué)?;邴溈怂鬼f方程組在坐標(biāo)變換下具有形式不變的特性,研究人員通過對物理空間中的光進(jìn)行保角變換操作,即在坐標(biāo)函數(shù)變換過程中保持曲線夾角不變,構(gòu)造了一類圓對稱的光學(xué)黑洞微腔。

陳錦輝介紹,區(qū)別于傳統(tǒng)均勻折射率的回音壁微腔,基于變換光學(xué)原理設(shè)計的微腔在包層具有獨(dú)特的梯度折射率分布,從而構(gòu)造出一個始終大于光子能量的勢壘,使得光子無法隧穿,從而被有效束縛在微腔中。研究人員還制備了截斷的光學(xué)黑洞微腔器件,并進(jìn)行了微波實驗測量,證實了該設(shè)計方案的有效性。

“根據(jù)這一設(shè)計思路,此類圓對稱光學(xué)黑洞微腔還可推廣至任意形狀,例如單核的四極子腔與雙核的類花生形腔等。”陳煥陽表示,基于變換光學(xué)原理設(shè)計光學(xué)微腔的策略,不僅為調(diào)控微腔表面光場提供了一種新的思路,還可以推廣到聲波和彈性波等其他波系統(tǒng)的共振模式,并有望在能量收集和片上集成光子器件設(shè)計領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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