物理学院 School of Physics, Nanjing University

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Phys.Rev.Lett.发表物理学院介电体超晶格实验室课题组研究成果

2017年09月11日

 

南京大学物理学院刘辉/祝世宁课题组联合厦门大学陈焕阳课题组,利用共形变换光学理论,在实验中得到了光束的自聚焦和共形Talbot效应,并演示了其在数字编码方面的潜在应用价值。相关研究成果发表在Phys. Rev. Lett. 119, 033902 (2017)上,并被编辑选为推荐论文。

通常情况下,光在平直时空中沿着直线传播。而根据爱因斯坦广义相对论,光子在弯曲时空中沿着曲线传播。与之类似,非均匀介质中光子的轨迹也是弯曲的。基于这种相似性,人们提出了变换光学的方法,在微结构材料中通过模拟弯曲时空控制光子的传播,实现各种光学器件。作为变换光学的分支理论,共形变换光学(Conformal Transformation Optics: CTO)正逐渐受到人们的关注,因为共形变换光学仅要求材料非均匀但各向同性,实现起来比较容易。

 
图 (a) 黎曼面上光线的传播;(b) 共形Talbot效应的实验照片; (c) 共形Talbot效应的数字编码功能演示.

早在1854 年,J.C. Maxwell就研究了著名的Maxwell 鱼眼透镜,但在实验上很难实现。该团队利用共形变换光学理论,将Maxwell 鱼眼透镜通过指数共形变换映射到物理空间,并结合黎曼页支割线分析(图(a)),得到了Mikaelian透镜。团队中博士生王向阳借助于聚合物溶液表面张力自组织过程,精确地制备出了共形变换光学波导——Mikaelian透镜,并且同时演示了几何光学条件下的自聚焦特性和类Sine曲线。另一方面,Talbot效应是指当周期性物体被相干光照射后,在物体后方一定区域该物体的图像会周期性地出现的现象,因此又称为自成像或者无透镜成像。该现象于1836被Henry Fox Talbot首次发现,于1881年被Lord Rayleigh 首次从理论上解释。传统的Talbot效应由于光源尺寸有限,只能在物体后方一定区域内产生。因为随着传播距离增加,边界衍射效应变得突出,就无法再现物体图像。但是在该团队利用共形变换光学波导实现了非衍射的Talbot效应(图(b)),可以将图像无损耗地传递到远方。更为有趣的是,通过进一步研究,发现该器件在数据编码方面具有潜在的应用价值,可以利用Talbot 效应进行信息编码并将信息无衍射地长距离传输(图(c))。该工作证明了共形变换光学材料在光子集成芯片技术方面的广阔应用潜力。

该工作得到人工微结构科学与技术协同创新中心和固体微结构物理国家重点实验室的支持,国家自然科学基金重大项目、杰出青年基金和科技部量子调控项目的资助。

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