Transformasjonsoptikk - Transformation optics

Artikler om
Elektromagnetisme
Solenoid
Elektrostatikk
Magnetostatikk
Elektrodynamikk
Elektrisk nett
Kovariant formulering
Forskere

Transformasjonsoptikk bruker metamaterialer for å produsere romlige variasjoner, avledet fra koordinat transformasjoner , som kan dirigere utvalgte båndbredder for elektromagnetisk stråling . Dette kan tillate konstruksjon av nye kompositt kunstige enheter , som sannsynligvis ikke kunne eksistere uten metamaterialer og koordinere transformasjon. Datakraft som ble tilgjengelig på slutten av 1990 -tallet muliggjør foreskrevne kvantitative verdier for permittivitet og permeabilitet , de konstituerende parametrene , som produserer lokaliserte romlige variasjoner. Den samlede verdien av alle de konstituerende parametrene gir en effektiv verdi , som gir de tiltenkte eller ønskede resultater.

Derfor brukes komplekse kunstige materialer, kjent som metamaterialer , for å produsere transformasjoner i optisk rom.

Matematikken som ligger til grunn for transformasjonsoptikken ligner på ligningene som beskriver hvordan tyngdekraften forvrider rom og tid, generelt relativitet . I stedet for rom og tid viser disse ligningene imidlertid hvordan lyset kan rettes på en valgt måte, analogt med vridning av rommet. For eksempel er en potensiell applikasjon å samle sollys med nye solceller ved å konsentrere lyset i ett område. Derfor kan et bredt spekter av konvensjonelle enheter forbedres markant ved å bruke transformasjonsoptikk.

Koordinere transformasjoner

Transformasjonsoptikk har sin begynnelse i to forskningsarbeider og deres konklusjoner. De ble publisert 25. mai 2006 i samme nummer av det fagfellevurderte tidsskriftet Science . De to papirene beskriver holdbare teorier om bøying eller forvrengning av lys for å skjule et objekt elektromagnetisk . Begge papirene kartlegger spesielt den første konfigurasjonen av de elektromagnetiske feltene til et kartesisk maske. Vridning av det kartesiske nettet transformerer i hovedsak koordinatene til de elektromagnetiske feltene, som igjen skjuler et gitt objekt. Derfor, med disse to papirene, blir transformasjonsoptikk født.

Transformasjonsoptikk abonnerer på evnen til å bøye lys , eller elektromagnetiske bølger og energi , på en hvilken som helst foretrukket eller ønsket måte, for en ønsket applikasjon. Maxwells ligninger varierer ikke selv om koordinater transformeres. I stedet "transformerer" eller endres verdier for valgte parametere for materialer i løpet av en bestemt tidsperiode. Transformasjonsoptikk utviklet seg fra evnen til å velge hvilke parametere for et gitt materiale, kjent som et metamateriale. Siden Maxwells ligninger beholder samme form, er det derfor de påfølgende verdiene for permittivitet og permeabilitet som endres over tid. Permittivitet og permeabilitet er på en måte svar på de elektriske og magnetiske feltene til henholdsvis en utstrålt lyskilde, blant andre beskrivelser. Den presise graden av elektrisk og magnetisk respons kan kontrolleres i et metamateriale, punkt for punkt. Siden så mye kontroll kan opprettholdes over materialets respons, fører dette til et forbedret og svært fleksibelt gradientindeksmateriale . Konvensjonelt forhåndsbestemt brytningsindeks for vanlige materialer blir uavhengige romlige gradienter, som kan kontrolleres etter ønske. Derfor er transformasjonsoptikk en ny metode for å lage nye og unike optiske enheter .

Transformasjonsoptikk kan gå utover tilsløring (etterligner himmelsk mekanikk) fordi kontrollen av banen og lysbanen er svært effektiv. Transformasjonsoptikk er et felt innen optisk og materialteknikk og vitenskap som omfatter nanofotonikk , plasmonikk og optiske metamaterialer .

Utviklinger

Utviklingen på dette feltet fokuserer på fremskritt innen forskning på transformasjonsoptikk. Transformasjonsoptikk er grunnlaget for å utforske et mangfoldig sett med teoretiske , numeriske og eksperimentelle utviklinger, som involverer perspektivene til fysikk og ingeniørmiljøer . De tverrfaglige perspektivene for etterforskning og design av materialer utvikler forståelse for deres oppførsel, egenskaper og potensielle bruksområder for dette feltet.

Hvis en koordinattransformasjon kan avledes eller beskrives, vil en lysstråle (i den optiske grensen) følge linjer med en konstant koordinat. Det er begrensninger på transformasjonene, som angitt i referansene. Generelt kan imidlertid et bestemt mål oppnås ved å bruke mer enn én transformasjon. Den klassiske sylindriske kappen (først både simulert og demonstrert eksperimentelt) kan skapes med mange transformasjoner. Den enkleste, og oftest brukte, er en lineær koordinatkartlegging i radialkoordinaten. Det pågår betydelig forskning for å bestemme fordeler og ulemper ved bestemte typer transformasjoner, og hvilke egenskaper som er ønskelige for realistiske transformasjoner. Et eksempel på dette er bredbåndsteppekappen: transformasjonen som ble brukt var kvasi-konform. En slik transformasjon kan gi en kappe som bruker ikke-ekstreme verdier av permittivitet og permeabilitet , i motsetning til den klassiske sylindriske kappen, som krevde noen parametere for å variere mot uendelig ved kappens indre radius.

Generelle koordinattransformasjoner kan utledes som komprimerer eller utvider plass, bøyer eller vrir plass, eller endrer endring av topologien (f.eks. Ved å etterligne et ormhull ). Mye nåværende interesse innebærer å designe usynlig kapper , hendelses kapper , feltkonsentratorer eller bjelkebøyende bølgeledere .

Etterligner himmelsk mekanikk

Samspillet mellom lys og materie med romtid , som forutsagt av generell relativitet , kan studeres ved hjelp av den nye typen kunstige optiske materialer som har ekstraordinære evner til å bøye lys (som faktisk er elektromagnetisk stråling ). Denne forskningen skaper en kobling mellom det nyoppståtte feltet av kunstige optiske metamaterialer til himmelmekanikk , og åpner dermed en ny mulighet for å undersøke astronomiske fenomener i laboratoriemiljø. Den nylig introduserte, nye klassen av spesialdesignede optiske medier kan etterligne de periodiske , kvasi-periodiske og kaotiske bevegelsene som er observert i himmelobjekter som har blitt utsatt for gravitasjonsfelt .

Derfor ble en ny klasse metamaterialer introdusert med nomenklaturen "kontinuerlige indeksfotonfeller" (CIPT). CIPTz har applikasjoner som optiske hulrom. Som sådan kan CIPT -er kontrollere, bremse og fange lys på en måte som ligner himmelske fenomener som sorte hull , merkelige tiltrekkere og gravitasjonslinser .

En kompositt av luft og det dielektriske Gallium Indium Arsenide Phosphide ( GaInAsP ), operert i det infrarøde spektralområdet og inneholdt en høy brytningsindeks med lave absorpsjoner.

Dette åpner en vei for å undersøke lysfenomener som etterligner orbitale bevegelser , merkelige tiltrekkere og kaos i et kontrollert laboratoriemiljø ved å slå sammen studiet av optiske metamaterialer med klassisk himmelsk mekanikk.

Hvis det kunne produseres et metamateriale som ikke hadde høyt iboende tap og et smalt frekvensområde, kan det brukes som en type media for å simulere lysbevegelse i et buet romvakuum . Et slikt forslag blir fremmet, og metamaterialer blir potensielle medier i denne typen studier. Den klassiske optisk-mekaniske analogien gir muligheten for å studere lysutbredelse i homogene medier som en nøyaktig analogi til bevegelsen av massive kropper og lys i gravitasjonspotensialer. En direkte kartlegging av de himmelske fenomenene oppnås ved å observere fotonbevegelse i et kontrollert laboratoriemiljø. Materialene kan lette periodisk, kvasi-periodisk og kaotisk lysbevegelse iboende for himmelske objekter som er utsatt for komplekse gravitasjonsfelt.

Vridning av det optiske metamaterialet påvirker "rommet" til nye koordinater. Lyset som beveger seg i det virkelige rom vil bli buet i det vridde rommet, slik det brukes i transformasjonsoptikk. Denne effekten er analog med stjernelys når den beveger seg gjennom et nærmere gravitasjonsfelt og opplever buet romtid eller en gravitasjonslinseffekt . Denne analogen mellom klassisk elektromagnetisme og generell relativitet, viser potensialet til optiske metamaterialer for å studere relativitetsfenomener som gravitasjonslinsen.

Observasjoner av slike himmelske fenomen av astronomer kan noen ganger ta et århundre ventetid. Kaos i dynamiske systemer observeres på så forskjellige områder som molekylær bevegelse, populasjonsdynamikk og optikk. Spesielt kan en planet rundt en stjerne gjennomgå kaotisk bevegelse hvis en forstyrrelse, for eksempel en annen stor planet, er tilstede. På grunn av de store romlige avstandene mellom himmellegemene og de lange periodene som er involvert i studiet av deres dynamikk, har imidlertid den direkte observasjonen av kaotisk planetarisk bevegelse vært en utfordring. Bruken av den optisk-mekaniske analogien kan gjøre at slike studier kan utføres i en laboratorieinnstilling på benken når som helst som er foreskrevet.

Studien peker også mot design av nye optiske hulrom og fotonfeller for bruk i mikroskopiske enheter og lasersystemer.

Produserer sorte hull med metamaterialer

Materiale som forplanter seg i en buet romtid ligner den elektromagnetiske bølgeforplantningen i et buet rom og i et homogent metamateriale, som nevnt i forrige avsnitt. Derfor kan et svart hull muligens simuleres ved bruk av elektromagnetiske felt og metamaterialer. I juli 2009 ble en metamaterialstruktur som danner et effektivt svart hull teoretisert, og numeriske simuleringer viste en svært effektiv lysabsorpsjon .

Den første eksperimentelle demonstrasjonen av elektromagnetisk svart hull ved mikrobølgefrekvenser fant sted i oktober 2009. Det foreslåtte sorte hullet var sammensatt av ikke-resonante og resonante metamaterialstrukturer som kan absorbere elektromagnetiske bølger som effektivt kommer fra alle retninger på grunn av lokal kontroll av elektromagnetiske felt . Det ble konstruert av en tynn sylinder på 21,6 centimeter i diameter inneholdende 60 konsentriske ringer av metamaterials . Denne strukturen skapte en gradientindeks for brytning , nødvendig for å bøye lys på denne måten. Imidlertid ble det karakterisert som å være kunstig dårligere erstatning for et ekte svart hull . Karakteriseringen ble begrunnet med en absorpsjon på bare 80% i mikrobølgeovnsområdet, og at den ikke har noen intern energikilde . Det er en lys absorber. Lysabsorberingsevnen kan være gunstig hvis den kan tilpasses teknologier som solceller. Enheten er imidlertid begrenset til mikrobølgeovnområdet.

Også i 2009 ble transformasjonsoptikk brukt for å etterligne et svart hull i Schwarzschild -form . Lignende egenskaper for foton sfære ble også funnet numerisk for det metamaterialet sorte hullet. Flere reduserte versjoner av black hole -systemene ble foreslått for enklere implementeringer.

MIT datasimuleringer av Fung sammen med laboratorieeksperimenter designer et metamateriale med en flerlags sagetannstruktur som bremser og absorberer lys over et bredt spekter av bølgelengdefrekvenser, og i et bredt spekter av innfallsvinkler, med 95% effektivitet. Dette har et ekstremt bredt vindu for lysfarger.

Multidimensjonalt univers

Å konstruere optisk plass med metamaterialer kan være nyttig for å gjengi en nøyaktig laboratoriemodell av det fysiske multiverset. " Dette" metamateriallandskapet "kan omfatte områder der en eller to romlige dimensjoner komprimeres. " Metamaterialemodeller ser ut til å være nyttige for ikke-trivielle modeller som 3D de Sitter-plass med en komprimert dimensjon, 2D de Sitter-plass med to komprimerte dimensjoner , 4D de Sitter dS4 og anti-de Sitter AdS4 mellomrom.

Gradientindeks linse

Transformasjonsoptikk brukes for å øke mulighetene for linser med gradientindeks.

Konvensjonelle optiske begrensninger

Optiske elementer (linser) utfører en rekke funksjoner, alt fra bildedannelse, til lysprojeksjon eller lyssamling. Ytelsen til disse systemene er ofte begrenset av deres optiske elementer, som dominerer systemvekt og -kostnader, og tvinger avveininger mellom systemparametere som brennvidde, synsfelt (eller akseptvinkel), oppløsning og rekkevidde.

Konvensjonelle linser er til syvende og sist begrenset av geometri. Tilgjengelige designparametere er en enkelt brytningsindeks (n) per linseelement, variasjoner i elementoverflateprofilen, inkludert kontinuerlige overflater (linsekrumning) og/eller diskontinuerlige overflater (diffraktiv optikk). Lysstråler gjennomgår brytning på overflatene til hvert element, men beveger seg i rette linjer inne i linsen. Siden designrommet for konvensjonell optikk er begrenset til en kombinasjon av brytningsindeks og overflatestruktur, fører korreksjon for avvik (for eksempel ved bruk av akromatisk eller diffraktiv optikk) til store, tunge, komplekse design og/eller større tap, lavere bildekvalitet og produksjonsvansker.

GRIN -linser

Gradientindekslinser (eller GRIN -linser) som navnet tilsier, er optiske elementer hvis brytningsindeks varierer i linsen. Kontroll av den interne brytningen tillater styring av lys i buede baner gjennom linsen. GRIN -optikk øker dermed designplassen til å omfatte hele volumet av de optiske elementene, noe som gir potensial for dramatisk redusert størrelse, vekt, elementtall og monteringskostnader, samt åpner for nytt rom for handel mellom ytelsesparametere. Tidligere forsøk på å lage GRIN -objektiver med stor blenderåpning har imidlertid hatt begrenset suksess på grunn av begrenset endring av brytningsindeks, dårlig kontroll over indeksprofiler og/eller alvorlige begrensninger i linsediameter.

Nylige fremskritt

Nylige fremskritt innen materialvitenskap har ført til minst én metode for å utvikle store (> 10 mm) GRIN-objektiver med tredimensjonale gradientindekser. Det er en mulighet for å legge til utvidede deformasjonsmuligheter til GRIN -linsene. Dette oversetter til kontrollert ekspansjon, sammentrekning og skjær (for objektiver med variabelt fokus eller asymmetriske optiske variasjoner). Disse evnene er demonstrert. I tillegg gir de siste fremskrittene innen transformasjonsoptikk og beregningskraft en unik mulighet til å designe, montere og produsere elementer for å fremme bruken og tilgjengeligheten av GRIN-objektiver på tvers av et bredt spekter av optikkavhengige systemer, definert av behov. En mulig fremtidig evne kan være å videreutvikle linsedesignmetoder og -verktøy, som er koblet til forstørrede fabrikasjonsprosesser.

Battlefield -applikasjoner

Transformasjonsoptikk har potensielle applikasjoner for slagmarken. De allsidige egenskapene til metamaterialer kan skreddersys for å passe til nesten alle praktiske behov, og transformasjonsoptikk viser at plass til lys kan bøyes på nesten hvilken som helst vilkårlig måte. Dette oppfattes som å gi nye evner til soldater på slagmarken. For slagmarksscenarier har fordeler fra metamaterialer både kortsiktige og langsiktige konsekvenser.

For eksempel er det veldig vanskelig å vurdere om en sky i det fjerne er ufarlig eller en aerosol av fiendtlig kjemisk eller biologisk krigføring. Når de nye metamaterialene blir utviklet, eksisterer imidlertid evnen til å se ting som er mindre enn lysets bølgelengde - noe som ennå ikke er oppnådd i det fjerne feltet . Ved å bruke metamaterialer til å lage et nytt objektiv kan soldater få se patogener og virus som er umulige å oppdage med noen visuell enhet.

Utnyttelse av subbølgelengdeegenskaper tillater deretter andre fremskritt som ser ut til å være utenfor slagmarken. Alle slags materialer kan produseres med nanoproduksjon, som kan gå inn i elektroniske og optiske enheter fra nattsynsbriller til avstandssensorer til andre typer sensorer. Lengre sikt inkluderer muligheten for tildekking av materialer, noe som ville gi "usynlighet" ved å omdirigere lys rundt en sylindrisk form.

Se også

Referanser

Videre lesing og generelle referanser