Трансформационная оптика

Оптика преобразования — это раздел оптики , который применяет метаматериалы для создания пространственных изменений, полученных в результате преобразований координат , которые могут направлять выбранную полосу пропускания электромагнитного излучения . Это может позволить создавать новые составные искусственные устройства , которые, вероятно, не могли бы существовать без метаматериалов и преобразования координат. Вычислительные мощности, ставшие доступными в конце 1990-х годов, позволяют устанавливать количественные значения диэлектрической магнитной и проницаемостей , определяющих параметров , которые вызывают локализованные пространственные изменения. Совокупное значение всех составляющих параметров дает эффективное значение , которое дает намеченные или желаемые результаты.

Следовательно, сложные искусственные материалы, известные как метаматериалы , используются для преобразования оптического пространства.

Математика, лежащая в основе оптики преобразований, аналогична уравнениям, которые описывают, как гравитация искажает пространство и время в общей теории относительности . Однако вместо пространства и времени эти уравнения показывают, как свет можно направить выбранным образом, аналогично искривлению пространства. Например, одно из потенциальных применений — сбор солнечного света с помощью новых солнечных элементов путем концентрации света в одной области. Следовательно, широкий спектр обычных устройств может быть заметно улучшен за счет применения трансформационной оптики.

Преобразования координат

Трансформационная оптика берет свое начало в двух исследовательских начинаниях и их выводах. Они были опубликованы 25 мая 2006 года в том же номере рецензируемого журнала Science . В двух статьях описаны убедительные теории об отклонении или искажении света для электромагнитного сокрытия объекта. Обе статьи, в частности, отображают первоначальную конфигурацию электромагнитных полей на декартовой сетке. Скручивание декартовой сетки, по сути, трансформирует координаты электромагнитных полей, которые, в свою очередь, скрывают данный объект. Таким образом, с этими двумя статьями родилась оптика преобразований.

Трансформационная оптика предполагает возможность преломлять свет или электромагнитные волны и энергию любым предпочтительным или желаемым способом для желаемого применения. Уравнения Максвелла не меняются, даже если координаты преобразуются. Вместо этого значения выбранных параметров материалов «трансформируются» или изменяются в течение определенного периода времени. Оптика преобразования возникла благодаря возможности выбирать параметры для данного материала, известного как метаматериал. Следовательно, поскольку уравнения Максвелла сохраняют ту же форму, именно последовательные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей с течением времени изменяются . Диэлектрическая проницаемость и проницаемость в некотором смысле являются реакциями на электрические и магнитные поля источника излучаемого света соответственно, помимо других описаний. Точную степень электрического и магнитного отклика можно контролировать в метаматериале, точка за точкой. Поскольку можно поддерживать такой большой контроль над реакциями материала, это приводит к расширенному и очень гибкому индексу градиента. материал. Условно заданный показатель преломления обычных материалов становится независимым пространственным градиентом, которым можно управлять по своему желанию. Таким образом, трансформационная оптика — это новый метод создания новых и уникальных оптических устройств .

Трансформационная оптика может выйти за рамки маскировки (имитировать небесную механику), поскольку ее контроль над траекторией и путем света очень эффективен. Оптика трансформации — это область оптической инженерии и материаловедения , а также науки, охватывающая нанофотонику , плазмонику и оптические метаматериалы .

События

Разработки в этой области сосредоточены на достижениях в области исследований трансформационной оптики. Оптика преобразований является основой для изучения разнообразного набора теоретических , численных и экспериментальных разработок, учитывающих точки зрения физического и инженерного сообществ . Междисциплинарные перспективы исследования и проектирования материалов способствуют пониманию их поведения, свойств и потенциальных применений в этой области.

Если преобразование координат можно вывести или описать, луч света (в оптическом пределе) будет следовать линиям постоянной координаты. Существуют ограничения на преобразования, перечисленные в ссылках. Однако в целом конкретная цель может быть достигнута с использованием более чем одного преобразования. Классический цилиндрический плащ (сначала смоделированный и продемонстрированный экспериментально) можно создать с помощью множества преобразований. Самым простым и наиболее часто используемым является линейное отображение координат в радиальной координате. Продолжаются значительные исследования по определению преимуществ и недостатков конкретных типов преобразований, а также того, какие атрибуты желательны для реалистичных преобразований. Одним из примеров этого является широкополосный ковровый плащ: использованное преобразование было квазиконформным. Такое преобразование может дать плащ, использующий неэкстремальные значения диэлектрической проницаемости и проницаемости , в отличие от классического цилиндрического плаща, который требовал, чтобы некоторые параметры изменялись в сторону бесконечности на внутреннем радиусе плаща.

Могут быть получены общие преобразования координат, которые сжимают или расширяют пространство, сгибают или искажают пространство или даже изменяют топологию (например, имитируя червоточину ) . Большой текущий интерес связан с разработкой невидимок плащей- , плащей событий , концентраторов поля или волноводов , изгибающих луч .

Имитация небесной механики

Взаимодействие света и материи с пространством-временем , как предсказывает общая теория относительности , можно изучать с помощью нового типа искусственных оптических материалов , которые обладают необычайными способностями преломлять свет (который на самом деле является электромагнитным излучением). Это исследование создает связь между недавно возникшей областью искусственных оптических метаматериалов и небесной механикой , тем самым открывая новую возможность исследовать астрономические явления в лабораторных условиях. Недавно представленный новый класс специально разработанных оптических сред может имитировать периодические , квазипериодические и хаотические движения, наблюдаемые в небесных объектах , подвергшихся воздействию гравитационных полей .

Таким образом, появился новый класс метаматериалов с номенклатурой «фотонные ловушки с непрерывной индексацией» (CIPT). CIPtz находят применение в качестве оптических резонаторов. Таким образом, CIPT могут контролировать, замедлять и улавливать свет аналогично небесным явлениям, таким как черные дыры , странные аттракторы и гравитационные линзы .

Композит воздуха и диэлектрика, арсенида галлия, индия, фосфида ( GaInAsP ), работающий в инфракрасном спектральном диапазоне и обладающий высоким показателем преломления при низком поглощении.

Это открывает возможность исследовать световые явления, имитирующие орбитальное движение , странные аттракторы и хаос в контролируемой лабораторной среде, путем объединения исследований оптических метаматериалов с классической небесной механикой.

Если бы можно было создать метаматериал, который не имел бы высоких собственных потерь и узкого частотного диапазона работы, то его можно было бы использовать в качестве среды для моделирования движения света в искривленном вакууме пространства-времени . Такое предложение выдвигается, и метаматериалы становятся перспективными средствами исследования такого типа. Классическая оптико-механическая аналогия открывает возможность изучения распространения света в однородных средах как точную аналогию движению массивных тел и света в гравитационных потенциалах. Прямое картирование небесных явлений осуществляется путем наблюдения за движением фотонов в контролируемой лабораторной среде. Материалы могут способствовать периодическому, квазипериодическому и хаотическому движению света, свойственному небесным объектам, подверженным сложным гравитационным полям.

Скручивание оптического метаматериала приводит к преобразованию его «пространства» в новые координаты. Свет, распространяющийся в реальном пространстве, будет искривлен в искривленном пространстве, как это применяется в трансформационной оптике. Этот эффект аналогичен звездному свету, когда он движется через более близкое гравитационное поле и испытывает искривление пространства-времени или эффект гравитационного линзирования . Этот аналог классического электромагнетизма и общей теории относительности показывает потенциал оптических метаматериалов для изучения явлений относительности, таких как гравитационная линза.

Наблюдения астрономов за такими небесными явлениями иногда могут занять столетие ожидания. Хаос в динамических системах наблюдается в таких разнообразных областях, как молекулярное движение, динамика населения и оптика. В частности, планета вокруг звезды может испытывать хаотическое движение, если присутствует возмущение, например, от другой большой планеты. Однако из-за больших пространственных расстояний между небесными телами и длительных периодов изучения их динамики прямое наблюдение хаотического движения планет оказалось сложной задачей. Использование оптико-механической аналогии может позволить проводить такие исследования в лабораторных условиях в любое установленное время.

Исследование также указывает на разработку новых оптических резонаторов и фотонных ловушек для применения в микроскопических устройствах и лазерных системах.

• Дополнительную информацию см.: Теория хаоса и Общая теория относительности.

Создание черных дыр из метаматериалов

Распространение материи в искривленном пространстве-времени аналогично распространению электромагнитных волн в искривленном пространстве и в однородном метаматериале , как говорилось в предыдущем разделе. Следовательно, черную дыру можно смоделировать с помощью электромагнитных полей и метаматериалов. В июле 2009 года была выдвинута теория структуры метаматериала, образующей эффективную черную дыру, а численное моделирование показало высокоэффективное поглощение света .

Первая экспериментальная демонстрация электромагнитной черной дыры на микроволновых частотах произошла в октябре 2009 года. Предполагаемая черная дыра состояла из нерезонансных и резонансных метаматериальных структур, которые могут эффективно поглощать электромагнитные волны, приходящие со всех направлений, благодаря локальному контролю электромагнитных волн. поля. Он представлял собой тонкий цилиндр 21,6 сантиметра, диаметром состоящий из 60 концентрических колец из метаматериалов . Эта структура создавала градиентный показатель преломления , необходимый для такого отклонения света. Однако она была охарактеризована как искусственный заменитель настоящей черной дыры. Такая характеристика была оправдана поглощением всего 80% в микроволновом диапазоне и отсутствием внутреннего источника энергии . Это уникальный поглотитель света. Способность поглощать свет могла бы быть полезной, если бы ее можно было адаптировать к таким технологиям, как солнечные элементы. Однако устройство ограничено микроволновым диапазоном.

Также в 2009 году оптика преобразования была использована для имитации черной дыры формы Шварцшильда . Подобные свойства фотонной сферы были численно обнаружены и для метаматериальной черной дыры. Для упрощения реализации было предложено несколько уменьшенных версий систем черных дыр.

Компьютерное моделирование Фунга в Массачусетском технологическом институте наряду с лабораторными экспериментами позволяет разработать метаматериал с многослойной пилообразной структурой, который замедляет и поглощает свет в широком диапазоне частот длин волн и в широком диапазоне углов падения с эффективностью 95%. Он имеет чрезвычайно широкое окно для цветов света.

Многомерная вселенная

Инженерное оптическое пространство с метаматериалами может быть полезно для воспроизведения точной лабораторной модели физической мультивселенной. « Этот «метаматериальный ландшафт» может включать области, в которых одно или два пространственных измерения компактифицированы ». Модели метаматериала оказываются полезными для нетривиальных моделей, таких как трехмерное пространство де Ситтера с одним компактифицированным измерением, двумерное пространство де Ситтера с двумя компактифицированными измерениями. , 4D-пространства де Ситтера dS4 и анти-деситтеровские пространства AdS4.

Градиентное индексное линзирование

Трансформационная оптика используется для увеличения возможностей линз с градиентным преломлением.

Обычные оптические ограничения

Оптические элементы (линзы) выполняют разнообразные функции: от формирования изображения до проецирования или сбора света. Производительность этих систем часто ограничивается их оптическими элементами, которые преобладают в весе и стоимости системы и вынуждают искать компромисс между параметрами системы, такими как фокусное расстояние, поле зрения (или угол приема), разрешение и дальность действия.

Обычные линзы в конечном итоге ограничены геометрией. Доступными параметрами конструкции являются единый показатель преломления (n) для каждого элемента линзы, вариации профиля поверхности элемента, включая непрерывные поверхности (кривизна линзы) и/или прерывистые поверхности (дифракционная оптика). Лучи света преломляются на поверхностях каждого элемента, но движутся внутри линзы по прямым линиям. Поскольку пространство для проектирования традиционной оптики ограничено комбинацией показателя преломления и структуры поверхности, исправление аберраций (например, за счет использования ахроматической или дифракционной оптики) приводит к большим, тяжелым, сложным конструкциям и/или большим потерям. качество изображения и трудности изготовления.

ГРИН линзы

Линзы с градиентным показателем преломления (или линзы GRIN), как следует из названия, представляют собой оптические элементы, показатель преломления которых варьируется в пределах линзы. Контроль внутреннего преломления позволяет направлять свет по изогнутым траекториям через линзу. Таким образом, оптика GRIN увеличивает пространство для проектирования, включая весь объем оптических элементов, обеспечивая возможность значительного уменьшения размера, веса, количества элементов и стоимости сборки, а также открывая новое пространство для изменения параметров производительности. Однако прошлые попытки создать линзы GRIN с большой апертурой имели ограниченный успех из-за ограниченного изменения показателя преломления, плохого контроля над профилями показателя и/или серьезных ограничений в диаметре линзы.

Последние достижения

Последние шаги в области материаловедения привели по крайней мере к одному методу разработки больших (> 10 мм) линз GRIN с трехмерными индексами градиента. Существует возможность добавления расширенных возможностей деформации к линзам GRIN. Это приводит к контролируемому расширению, сжатию и сдвигу (для линз с переменным фокусом или асимметричных оптических вариантов). Эти возможности были продемонстрированы. Кроме того, последние достижения в области трансформационной оптики и вычислительной мощности предоставляют уникальную возможность проектировать, собирать и изготавливать элементы, чтобы повысить полезность и доступность линз GRIN в широком спектре оптико-зависимых систем, определяемых потребностями. Возможной будущей возможностью может стать дальнейшее совершенствование методов и инструментов проектирования линз, которые будут связаны с расширенными производственными процессами.

Приложения для поля боя

Трансформационная оптика имеет потенциальное применение на поле боя. Универсальные свойства метаматериалов можно адаптировать практически к любым практическим потребностям, а трансформационная оптика показывает, что пространство для света можно изгибать практически любым произвольным образом. Это воспринимается как предоставление солдатам новых возможностей на поле боя. В сценариях боевых действий преимущества метаматериалов имеют как краткосрочные, так и долгосрочные последствия.

Например, очень сложно быстро определить, является ли облако на расстоянии безвредным или аэрозолем вражеского химического или биологического оружия. Однако с разработкой новых метаматериалов появилась возможность видеть объекты размером меньше длины волны света – чего еще предстоит достичь в дальнем поле . Использование метаматериалов при создании новой линзы может позволить солдатам видеть болезнетворные микроорганизмы и вирусы, которые невозможно обнаружить ни одним визуальным прибором.

Использование субволновых возможностей позволит достичь других достижений, которые, по-видимому, выходят за рамки поля боя. С помощью нанопроизводства можно производить все виды материалов, которые можно использовать в электронных и оптических устройствах: от очков ночного видения до датчиков расстояния и других типов датчиков. Долгосрочные перспективы включают возможность использования маскирующих материалов, которые обеспечат «невидимость», перенаправляя свет вокруг цилиндрической формы.

См. также

• Акустические метаматериалы
• Хиральность (электромагнетизм)
• Метаматериал
• Метаматериал поглотитель
• Метаматериальные антенны
• Маскировка метаматериала
• Метаматериалы с отрицательным индексом
• Нелинейные метаматериалы
• Фотонные метаматериалы
• Фотонный кристалл
• Сейсмические метаматериалы
• Разъемный кольцевой резонатор
• Суперлинза
• Теории маскировки
• Настраиваемые метаматериалы
• Книги
  • Справочник по метаматериалам
  • Метаматериалы: физические и инженерные исследования

Дальнейшее чтение и общие ссылки

• Джонсон, Стивен (10 марта 2010 г.). «Преобразование координат и инвариантность в электромагнетизме» (PDF) . Массачусетский технологический институт . Проверено 31 октября 2023 г. Курсовые заметки Массачусетского технологического института о создании трансформационной оптики.
• Хехт, Джефф; Опто IQ (1 октября 2009 г.). «Фотонные рубежи: метаматериалы и оптика трансформации» . Корпорация Пеннвелл . Проверено 10 марта 2011 г. Новейшие метаматериалы обещают индивидуальные оптические свойства
• Бионаучные технологии (1 октября 2009 г.). «Искусственные черные дыры, созданные из метаматериалов» . Преимущество Бизнес Медиа . Проверено 10 марта 2011 г.
• Пендри, Джон (2009). «Метаматериалы и оптика преобразований» (PDF) . Имперский колледж – Лаборатория Блэкетта . Проверено 10 марта 2011 г.
• Торонто (28 октября 2019 г.). «Щит-невидимка канадского производства может скрывать людей и космические корабли» . Джонатан Форани . Проверено 10 марта 2019 г.
• Чен, Хуаньян; Чан, Коннектикут; Шэн, Пин (2010). «Оптика трансформаций и метаматериалы». Природные материалы . 9 (5): 387–96. Бибкод : 2010NatMa...9..387C . дои : 10.1038/nmat2743 . ПМИД   20414221 .
• Широкий, Дмитрий М. (2003). «Замечание о преобразовании в общие криволинейные координаты для уравнений ротора Максвелла». arXiv : физика/0307029 .
• Уорд, Эй Джей; Пендри, Дж. Б. (1996). «Преломление и геометрия в уравнениях Максвелла». Журнал современной оптики . 43 (4): 773. Бибкод : 1996JMOp...43..773W . CiteSeerX   10.1.1.205.5758 . дои : 10.1080/09500349608232782 .
• Леонхардт, Ульф; Филбин, Томас Г. (2009). Глава 2. Трансформационная оптика и геометрия света . Прогресс в оптике. Том. 53. с. 69. arXiv : 0805.4778 . дои : 10.1016/S0079-6638(08)00202-3 . ISBN  9780444533609 . S2CID   15151960 .
• Чен, Хуанян (2009). «Оптика преобразований в ортогональных координатах». Журнал оптики А. 11 (7): 075102. arXiv : 0812.4008 . Бибкод : 2009JOptA..11g5102C . дои : 10.1088/1464-4258/11/7/075102 .
• Николе, Андре; Золла, Фредерик; Гезен, Кристоф (2010). «Оптика трансформации, обобщенная маскировка и суперлинзы». Транзакции IEEE по магнетизму . 46 (8): 2975. arXiv : 1002.1644 . Бибкод : 2010ITM....46.2975N . дои : 10.1109/TMAG.2010.2043073 . S2CID   12891014 .
• Цай, Вэньшань; Владимир Шалаев (ноябрь 2009 г.). Оптические метаматериалы: основы и приложения . Нью-Йорк: Springer-Verlag . стр. Глава 9. ISBN  978-1-4419-1150-6 .