基于零空间超构材料的变换光学器件及其弱化实现方案

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对于电磁波，人们发现材料的线性电磁响应特性可以等效为空间的几何性质。根据这一等效性质，变换光学方法被用来设计各种新奇的光学器件，例如隐身斗篷[1, 2]。在实验上，人们利用超构材料[3, 4]来实现变换光学所要求的材料性质，例如人们利用开口谐振环制备的超构材料实现了弱化的二维隐身器件[5]。

零空间超构材料是一种特殊的超构材料[6, 7]。根据变换光学理论，通过延展坐标变换，它对应于没有体积的几何体，例如二维空间的线和三维空间的面。我们利用零空间超构材料设计了一系列光学器件，如分束器、聚焦器、光学集中器和旋转器等。基于零空间超构材料设计的光学器件有两个重要的性质：（1）能流沿着延展方向传播；（2）光波沿着延展方向的相位积累为零。

这种零空间光学超构材料是难以实现的。我们发现在某些频率下光波经过延展路径上的相位变化为2π整数倍时，可以等效地取得原先零空间超构材料的要求。这样的简化方案使得我们可以在特定频率下能够制备弱化的零空间超构材料。以图（a）所示的集中器的简化方案为例，沿着白色延展路径的介电参数是梯度变化的，使得内外的有效折射率连续。由于白色区域代表“零空间”，电磁波经过整个材料时只是在内部进行了能量集中，而在外部整个器件是隐身的效果，其数值模拟效果如图（d）所示。值得一提的是这种隐身效果并非完美，它有微小的散射截面。我们在另外一个相关工作中发现了一类完美的没有散射的能量集中器件[8]。图（a）的等效模型可以利用金属条来制备，如图（b）所示，其中的梯度颜色代表折射率的变化。这种金属条设计的集中器的效果如图（e）所示，这与图（d）一致。由于梯度折射率材料在实验上也不容易实现。我们在这里提出利用齿轮形电介质材料和金属条结构来制备弱化集中器，如图（c）所示。红色部分代表均匀的电介质材料，它们中间插入金属片。弱化集中器的效果如图（f）所示。它在内部的能量分布比较均匀，在外面产生了很小的散射，其整体上已经能实现图（d）的功能。我们提出的图（c）所示的集中器件的弱化方案在实验上是较容易制备的。

详细内容请参阅近期发表在Frontiers of Physics 的工作“Transformation devices with optical nihility media and reduced realizations” （doi: 10.1007/s11467-019-0891-6）。

通信作者：

徐林，安徽大学物质科学与信息技术研究院，E-mail: xuin@ahu.edu.cn 

陈焕阳，厦门大学电子科学与技术学院，E-mail: kenyon@xmu.edu.cn

参考文献：

[1]  U. Leonhardt, Optical conformal mapping, Science 312, 1777 (2006)

[2]  J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Controlling electromagnetic fields, Science 312, 1780 (2006)

[3]  J. B. Pendry, Negative refraction makes a perfect lens, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000)

[4]  D. R. Smith, W. J. Padilla, D. Vier, S. C. Nemat-Nasser, and S. Schultz, Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity, Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000)

[5]  D. Schurig, J. Mock, B. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. Starr, and D. Smith, Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies, Science 314, 977 (2006)

[6]  W. Yan, M. Yan, and M. Qiu, Generalized nihility media from transformation optics, J. Opt. 13, 024005 (2010)

[7]  Q. He, S. Xiao, X. Li, and L. Zhou, Optic-null medium: Realization and applications, Opt. Express 21, 28948 (2013)

[8]  M.-Y. Zhou, L. Xu, L.-C. Zhang, J. Wu, Y.-B. Li, and H.-Y. Chen, Perfect invisibility concentrator with simplified material parameters, Front. Phys. 13, 134101 (2018) 

文章链接：

Lin Xu, Qian-Nan Wu, Yang-Yang Zhou, and Huan-Yang Chen, Transformation devices with optical nihility media and reduced realizations, Front. Phys. 14(4), 42501 (2019)

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