變換光學(xué)及其應(yīng)用

摘要：長期以來，變換光學(xué)做為普通光學(xué)的技術(shù)性升級給人以“高冷”的印象。但是，2006年隱身斗篷被發(fā)明出來，變換光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用讓人眼前一亮。并且經(jīng)過多年的技術(shù)沉淀，變換光學(xué)已經(jīng)成為多種科學(xué)器件得以實現(xiàn)應(yīng)用價值的核心技術(shù)。本文以多方位視角，對變換光學(xué)的理論概念、分析方法、器件應(yīng)用做出系統(tǒng)性的說明，以期幫助相關(guān)學(xué)者對變換光學(xué)有一個全面、清晰的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：變換光學(xué)；隱身斗篷；分析方法；器件應(yīng)用

引言

隨著科技的發(fā)展，原始激光光束已經(jīng)無法滿足其在科技領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求，人們在工作中要解決激光變換傳輸?shù)膯栴}，如光的擴散、準(zhǔn)直、波形、聚焦等。變換光學(xué)的出現(xiàn)很好的幫助激光應(yīng)用突破了變換傳輸?shù)募夹g(shù)性問題，在世界科技領(lǐng)域引起了眾多學(xué)者的重視。早在 1989 年，我國學(xué)術(shù)界就已經(jīng)開展了有關(guān)變換光學(xué)專項研究的工作，為我國的名大科技事業(yè)的進步，提供了不可替代的理論支持。所以，開展變換光學(xué)的學(xué)術(shù)研究，對變換光學(xué)的普及與后續(xù)科研有著重要的科學(xué)意義。

一、變換光學(xué)理論簡述

從學(xué)術(shù)理論上來講，變換光學(xué)是研究小角度散發(fā)光波通過特定的光學(xué)技術(shù)改變傳輸方式的一門學(xué)科；從物理原理上來講，變換光學(xué)就是利用超材料改變光學(xué)粒子空間坐標(biāo)，進而構(gòu)建出新的傳輸光束，當(dāng)然這要在特定的電磁輻射帶寬內(nèi)進行。由此可見，超材料是變換光學(xué)的實現(xiàn)物理呈現(xiàn)的基礎(chǔ)。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(rèn)知的變換光學(xué)案例就是太陽能的應(yīng)用,即通過特定超材料設(shè)備將太陽光集中在一個區(qū)域內(nèi)，再將太陽光承載的能量收集到太陽電池中。可見變換光學(xué)是極具科學(xué)實踐價值的一門物理學(xué)科。

二、變換光學(xué)常見分析方法

變換光學(xué)在科學(xué)器件上的技術(shù)應(yīng)用，離不開一個切實的數(shù)據(jù)分析過程。常見的變換光學(xué)分析法有很多，例如:衍射積分法、矩陣表述法、算子代數(shù)法、高斯括號法、幾何光學(xué)法等等。其中，變換光學(xué)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(biāo)系的創(chuàng)建。所以，我們以光束原始傳播“側(cè)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(biāo)(qx，qy)和動量(Px，Py)表示。根據(jù)以上設(shè)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(biāo)：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(zhì)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，就可以開始行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(tǒng)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(fù)參數(shù)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。