變換光學及其應用

梁昂昂

摘要：長期以來，變換光學做為普通光學的技術性升級給人以“高冷”的印象。但是，2006年隱身斗篷被發明出來，變換光學的技術應用讓人眼前一亮。并且經過多年的技術沉淀，變換光學已經成為多種科學器件得以實現應用價值的核心技術。本文以多方位視角，對變換光學的理論概念、分析方法、器件應用做出系統性的說明，以期幫助相關學者對變換光學有一個全面、清晰的認識。

關鍵詞：變換光學；隱身斗篷；分析方法；器件應用；

引言

隨著科技的發展，原始激光光束已經無法滿足其在科技領域的實際應用需求，人們在工作中要解決激光變換傳輸的問題，如光的擴散、準直、波形、聚焦等。變換光學的出現很好的幫助激光應用突破了變換傳輸的技術性問題，在世界科技領域引起了眾多學者的重視。早在1989年，我國學術界就已經開展了有關變換光學專項研究的工作，為我國的各大科技事業的進步，提供了不可替代的理論支持。所以，開展變換光學的學術研究，對變換光學的普及與后續科研有著重要的科學意義。

一、變換光學理論簡述

從學術理論上來講，變換光學是研究小角度散發光波通過特定的光學技術改變傳輸方式的一門學科；從物理原理上來講，換光學就是利用超材料改變光學粒子空間坐標，進而構建出新的傳輸光束，當然這要在特定的電磁輻射帶寬內進行。由此可見，超材料是變換光學的實現物理呈現的基礎。就好像愛因斯坦在廣義相對論提出重力是改變時間和空間的因素一樣，超材料也是改變光粒子傳播指向的一種因素。

目前，比較接近大眾認知的變換光學案例就是太陽能的應用，即通過特定超材料設備，將太陽光集中在一個區域內，再將太陽光承載的能量收集到太陽電池中。可見變換光學是極具科學實踐價值的一門物理學科。

二、變換光學常見分析方法

變換光學在科學器件上的技術應用，離不開一個切實的數據分析過程。常見的變換光學分析法有很多，例如：衍射積分法、矩陣表述法、算子代數法、高斯括號法、幾何光學法等等。其中，變換光學最常用的分析方法就是衍射分析法和矩陣表述法。

首先需要說明的是，不管是衍射分析法還是矩陣表述法，都離不開空間直角坐標系的創建。所以，我們以光束原始傳播“側垂直”方向為x軸，光束原始傳播“上垂直”方向為y軸，光束原始傳播“0角度”方向為z軸，則光束在x*y平面上的位置和方向都可以用坐標（qx，qy）和動量（Px，Py）表示。根據以上設定，在展開分析方法說明之前我們先列舉出以下變量：

（1）坐標：qx=x，qy=y；

（2）動量：Px=n*x/（1+xn2+yn2）1/2；Py=n*y/（1+xn2+yn2）1/2，其中n為介質折射率；

（3）動力運算變量：xn=x/z；yn=y/z；

（4）旁軸近似動量：Px=n*xn；Py=n*yn；

（5）……

在明確好各種光離子移動位置變量和能量變量之后，就可以開始衍射積分法和矩陣表述法的分析了。其中，衍射分析法要額外引入獨有的基爾霍夫概念和名為“傾斜角度”的輔助運算定量，具有代表性的分析案例就是計算激光核聚變系統中“高斯激光束”通過空間濾波器前后的帶寬變動。另外，矩陣表述法要額外引入著名的ABCD定律以及光束修復參數等概念，具有代表性的分析案例就是描述“高斯激光束”通過透鏡前后的矩陣布局變動。

三、變換光學的應用表現

（1）新型微波器件

變換光學在新型微波器件上的應用比較有代表性的就是隱身斗篷的設計。隱身斗篷也可以稱為微波隱身斗篷，是利用納米硅質材料（超材料的一種）對光線吸收或折射，進而達到讓穿戴物體隱身的效果。微波隱身斗篷的物理效果得以實現，關鍵點就在于納米硅質材料對原始光束傳播的轉變，曾有人形象的將微波隱身斗篷的物理原理比喻為河水（原始光束）繞過鵝卵石（納米硅質材料），這也是變換光學在學術界立足的研究定點。

另外，隨著國內外眾多專家對隱身斗篷的研究不斷深入，人們發現關系到隱身斗篷成敗的超材料不再局限于納米硅質。單質黃金、導電銀和氟化鎂疊合物等材料都具備實現隱身斗篷物理效果的能力。只是受限于原材料的成本過于高昂，此項技術研究仍在進行中。相信在不久的將來，適合制造隱身斗篷的超材料會被研制出來，并將變換光學技術大量應用到納米成像、半導體工業、軍事建設等領域中去。

（2）表面等離子體激元器件

實際上，表面等離子體積元是在金屬表面發生的一種電磁振蕩現象，是金屬內部自由電子和光子相互作用形成的結果。其基本原理是，電磁波在傳播過程中接觸到金屬表面時會因為動力沖撞引起金屬表層的自由電子產生集體震動，并且自動因子的電磁波和被動因子的自由電子在沖撞過程中會產生一種沿著金屬表面傳播的新型電磁波（垂直方向動力迅速衰減，甚至消失）。具體過程如圖3-1：

變換光學在表面等離子體激元器件上的應用可以劃分為兩個方向：金屬表面內部的光束傳播控制和金屬表面垂直方向的光束傳播控制。其中，金屬表面內部的光束傳播控制是在等離子體激元的表層界面上進行原始光束傳播的改變，但不改變等離子體激元垂直界面上的原始光束傳播，比較有代表性的應用有面內隱身器件、改變光波寬度、改變光波方向、表面等離子體黑洞、分束器件等。與之相對，金屬表面垂直方向的光束傳播控制的物理原理是在等離子體激元的垂直界面上進行原始光束傳播的改變，但不改變等離子體激元表層界面上的原始光束傳播，比較有代表性的應用有解決金屬介質表面的不平整情況。

（3）新型熱力變換器件

嚴格來講，變換光學在新型熱力變換器件上的應用是一個“模仿”。在人們發現了變換光學的基本原理后，科學家們開始思考能否使用類似原理實現熱力擴散上的傳輸變換。經過多項實驗認證，此想法是可行的，具有代表性的應用有熱力集中器、旋轉熱場器、熱力隱身斗篷等。但是，熱力是以能量的形式存在，不像光波、磁場那樣具有特定規律的傳播軌道，所以，新型熱力變換器件在熱能傳播方向人為控制上只能實現短時間的操作。例如，熱能隱形斗篷只能在短時間內通過熱力場改變影像呈現，而這種理想效果要長時間持續下去需要大量的輔助工具。

（4）多物理場隱身器件

變換光學在多物理場隱身器件上的應用并沒有比新型微波隱形器件復雜多少，只是一個技術性的疊加。顧名思義，多物理場就是多個物理場的疊加，相互影響。上面講述的新型微波隱形器件只是在超材料的作用下對原始光束進行手段單一的傳輸變換。但是，當多層次超導材料匯集成一個復雜的光束傳輸環境時，就達到了光束變換疊加的效果，其本質上還是利用單一的手段，只不過增加了特定變換次數，呈現出了更復雜、更穩定的光學物理現象。比較有代表性的應用有多物理場隱身仿真實驗室、三維雙層隱身斗篷等。

四、結語

從概念上來講，變換光學不是一個特別復雜的定義，只是通過超材料達到了改變光束傳播的目的；從分析角度來講，變換光學是一個多元化的空間問題，牽扯到了光離子在傳播途中位置和能量的變化，但適用于其原理研究的方法已經足夠完善；從應用表現來講，變換光學的技術實現研究還處于初級階段，由于材料和技術的限制，其科技應用實現之路可謂任重道遠。

參考文獻：

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