Transformationsoptik

Artiklar om
elektromagnetism
Solenoid
Elektrostatik
Magnetostatik
Elektrodynamik
Elektriskt nätverk
Kovariant formulering
Forskare

Transformationsoptik är en gren av optik som tillämpar metamaterial för att producera rumsliga variationer, härledda från koordinattransformationer , som kan styra valda bandbredder av elektromagnetisk strålning . Detta kan möjliggöra konstruktion av nya konstgjorda kompositanordningar , som förmodligen inte skulle kunna existera utan metamaterial och koordinattransformation. Datorkraft som blev tillgänglig i slutet av 1990-talet möjliggör föreskrivna kvantitativa värden för permittiviteten och permeabiliteten , de konstitutiva parametrarna , som producerar lokaliserade rumsliga variationer. Det sammanlagda värdet av alla konstitutiva parametrar ger ett effektivt värde , som ger de avsedda eller önskade resultaten.

används komplexa konstgjorda material, kända som metamaterial , för att producera transformationer i optiska rymden.

Matematiken som ligger till grund för transformationsoptik liknar ekvationerna som beskriver hur gravitationen förvränger rum och tid, i allmän relativitet . Men istället för rum och tid visar dessa ekvationer hur ljus kan riktas på ett valt sätt, analogt med att förvränga rymden. Till exempel är en potentiell applikation att samla in solljus med nya solceller genom att koncentrera ljuset till ett område. Följaktligen skulle ett brett utbud av konventionella anordningar kunna förbättras markant genom att tillämpa transformationsoptik.

Koordinera transformationer

Transformationsoptik har sin början i två forskningssträvanden och deras slutsatser. De publicerades den 25 maj 2006 i samma nummer av den peer-reviewade tidskriften Science . De två artiklarna beskriver hållbara teorier om att böja eller förvränga ljus för att elektromagnetiskt dölja ett föremål. Båda tidningarna kartlägger särskilt den initiala konfigurationen av de elektromagnetiska fälten på ett kartesiskt nät. Att vrida det kartesiska nätet omvandlar i huvudsak koordinaterna för de elektromagnetiska fälten, som i sin tur döljer ett givet objekt. Därför föds transformationsoptik med dessa två papper.

Transformationsoptik ansluter sig till förmågan att böja ljus eller elektromagnetiska vågor och energi , på vilket som helst föredraget eller önskat sätt, för en önskad tillämpning. Maxwells ekvationer varierar inte även om koordinater transformeras. Istället "förvandlas" eller ändras värden på valda parametrar för material under en viss tidsperiod. Transformationsoptik utvecklades från förmågan att välja vilka parametrar för ett givet material, känt som ett metamaterial. Därför, eftersom Maxwells ekvationer behåller samma form, är det de successiva värdena för permittivitet och permeabilitet som förändras över tiden. Permittivitet och permeabilitet är i viss mening svar på de elektriska respektive magnetiska fälten hos en utstrålad ljuskälla, bland andra beskrivningar. Den exakta graden av elektrisk och magnetisk respons kan kontrolleras i ett metamaterial, punkt för punkt. Eftersom så mycket kontroll kan upprätthållas över materialets svar, leder detta till ett förbättrat och mycket flexibelt material med gradientindex . Konventionellt förutbestämt brytningsindex för vanliga material blir oberoende rumsliga gradienter, som kan kontrolleras efter behag. Därför är transformationsoptik en ny metod för att skapa nya och unika optiska enheter .

Transformationsoptik kan gå längre än cloaking (härmar himmelsk mekanik) eftersom dess kontroll av ljusets bana och väg är mycket effektiv. Transformationsoptik är ett område inom optisk och materialteknik och vetenskap som omfattar nanofotonik , plasmonik och optiska metamaterial .

Utvecklingen

Utvecklingen inom detta område fokuserar på framsteg inom forskning om transformationsoptik. Transformationsoptik är grunden för att utforska en mångfald av teoretiska , numeriska och experimentella utvecklingar, som involverar perspektiven från fysik- och ingenjörsgemenskaperna . De multidisciplinära perspektiven för undersökning och design av material utvecklar förståelse för deras beteenden, egenskaper och potentiella tillämpningar för detta område.

Om en koordinattransformation kan härledas eller beskrivas, kommer en ljusstråle (i den optiska gränsen) att följa linjer med en konstant koordinat. Det finns begränsningar för transformationerna, som anges i referenserna. I allmänhet kan dock ett visst mål uppnås med mer än en transformation. Den klassiska cylindriska kappan (först både simulerad och demonstrerad experimentellt) kan skapas med många transformationer. Den enklaste, och oftast använda, är en linjär koordinatmappning i den radiella koordinaten. Det finns betydande pågående forskning om att fastställa fördelar och nackdelar med särskilda typer av transformationer, och vilka egenskaper som är önskvärda för realistiska transformationer. Ett exempel på detta är bredbandsmattmanteln: transformationen som användes var nästan konform. En sådan transformation kan ge en mantel som använder icke-extrema värden för permittivitet och permeabilitet , till skillnad från den klassiska cylindriska manteln, som krävde att vissa parametrar varierade mot oändligheten vid mantelns inre radie.

Allmänna koordinattransformationer kan härledas som komprimerar eller expanderar utrymme, böjer eller vrider utrymme, eller till och med ändrar topologin (t.ex. genom att efterlikna ett maskhål ). Mycket aktuellt intresse involverar att designa osynlighetsmantel , händelsemantel , fältkoncentratorer eller strålböjande vågledare .

Efterliknar himmelsk mekanik

Interaktionerna mellan ljus och materia med rumtiden , som förutspåtts av allmän relativitet , kan studeras med den nya typen av konstgjorda optiska material som har enastående förmåga att böja ljus (som faktiskt är elektromagnetisk strålning ). Denna forskning skapar en länk mellan det nyligen framväxande fältet av artificiella optiska metamaterial till det för himmelska mekanik , vilket öppnar en ny möjlighet att undersöka astronomiska fenomen i en laboratoriemiljö. Den nyligen introducerade, nya klassen av specialdesignade optiska medier kan efterlikna de periodiska , kvasi-periodiska och kaotiska rörelser som observerats i himlaobjekt som har utsatts för gravitationsfält .

Därför introducerades en ny klass av metamaterial med nomenklaturen "fotonfällor med kontinuerligt index" (CIPT). CIPTz har applikationer som optiska kaviteter. Som sådan kan CIPT kontrollera, bromsa och fånga ljus på ett sätt som liknar himmelsfenomen som svarta hål , konstiga atttraktorer och gravitationslinser .

En komposit av luft och den dielektriska galliumindiumarsenidfosfiden ( GaInAsP ), fungerade i det infraröda spektralområdet och hade ett högt brytningsindex med låg absorption.

Detta öppnar en väg för att undersöka ljusfenomen som imiterar omloppsrörelser , konstiga attraherande faktorer och kaos i en kontrollerad laboratoriemiljö genom att sammanfoga studiet av optiska metamaterial med klassisk himlamekanik.

Om ett metamaterial kunde produceras som inte hade hög inneboende förlust och ett smalt frekvensområde för drift så skulle det kunna användas som en typ av media för att simulera ljusrörelse i ett krökt rumtidsvakuum . Ett sådant förslag förs fram och metamaterial blir blivande medier i den här typen av studier. Den klassiska optisk-mekaniska analogin gör möjligheten att studera ljusutbredning i homogena medier som en exakt analogi till rörelsen hos massiva kroppar och ljus i gravitationspotentialer. En direkt kartläggning av de himmelska fenomenen åstadkoms genom att observera fotonrörelser i en kontrollerad laboratoriemiljö. Materialen skulle kunna underlätta periodiska, kvasi-periodiska och kaotiska ljusrörelser som är inneboende hos himlaobjekt som utsätts för komplexa gravitationsfält.

Att vrida det optiska metamaterialet påverkar dess "utrymme" till nya koordinater. Ljuset som färdas i det verkliga rymden kommer att krökas i det vridna rummet, som tillämpas i transformationsoptik. Denna effekt är analog med stjärnljus när det rör sig genom ett närmare gravitationsfält och upplever krökt rumtid eller en gravitationslinseffekt . Denna analog mellan klassisk elektromagnetism och allmän relativitet visar potentialen hos optiska metamaterial för att studera relativitetsfenomen som gravitationslinsen.

Observationer av sådana himlafenomen av astronomer kan ibland ta ett sekel av väntan. Kaos i dynamiska system observeras i områden så olika som molekylär rörelse, populationsdynamik och optik. I synnerhet kan en planet runt en stjärna genomgå kaotisk rörelse om en störning, som en annan stor planet, är närvarande. Men på grund av de stora rumsliga avstånden mellan himlakropparna och de långa perioderna som är involverade i studiet av deras dynamik, har den direkta observationen av kaotisk planetrörelse varit en utmaning. Användningen av den optisk-mekaniska analogin kan göra det möjligt för sådana studier att utföras i en bänklaboratoriemiljö vid vilken som helst föreskriven tidpunkt.

Studien pekar också på designen av nya optiska kaviteter och fotonfällor för användning i mikroskopiska enheter och lasersystem.

Att producera svarta hål med metamaterial

Materia som fortplantar sig i en krökt rumstid liknar den elektromagnetiska vågutbredningen i ett krökt rymd och i ett homogent metamaterial, som nämnts i föregående avsnitt. Därför kan ett svart hål möjligen simuleras med hjälp av elektromagnetiska fält och metamaterial. I juli 2009 teoretiserades en metamaterialstruktur som bildar ett effektivt svart hål, och numeriska simuleringar visade en mycket effektiv ljusabsorption .

Den första experimentella demonstrationen av elektromagnetiska svarta hål vid mikrovågsfrekvenser inträffade i oktober 2009. Det föreslagna svarta hålet bestod av icke-resonanta och resonanta, metamaterialstrukturer, som effektivt kan absorbera elektromagnetiska vågor som kommer från alla riktningar på grund av den lokala kontrollen av elektromagnetisk fält . Den var konstruerad av en tunn cylinder med en diameter på 21,6 centimeter bestående av 60 koncentriska ringar av metamaterial . Denna struktur skapade ett gradientbrytningsindex , nödvändigt för att böja ljus på detta sätt. Emellertid karakteriserades det som att vara ett konstgjort sämre substitut för ett riktigt svart hål . Karakteriseringen motiverades av en absorption på endast 80 % i mikrovågsområdet och att den inte har någon intern energikälla . Det är en unik ljusabsorbent. Ljusabsorptionsförmågan skulle kunna vara fördelaktig om den kunde anpassas till teknologier som solceller. Enheten är dock begränsad till mikrovågsområdet.

Också 2009 användes transformationsoptik för att efterlikna ett svart hål av Schwarzschild-form . Liknande egenskaper hos fotonsfären hittades också numeriskt för det metamaterialet svarta hålet. Flera reducerade versioner av svarthålssystemen föreslogs för enklare implementeringar.

MIT datorsimuleringar av Fung tillsammans med laboratorieexperiment designar ett metamaterial med en sågtandsstruktur i flera lager som saktar ner och absorberar ljus över ett brett spektrum av våglängdsfrekvenser och vid ett brett spektrum av infallsvinklar, med 95 % effektivitet. Denna har ett extremt brett fönster för ljusfärger.

Flerdimensionellt universum

Engineering optiskt utrymme med metamaterial kan vara användbart för att reproducera en korrekt laboratoriemodell av det fysiska multiversumet. " Detta 'metamateriallandskap' kan inkludera regioner där en eller två rumsliga dimensioner är kompakterade. " Metamaterialmodeller verkar vara användbara för icke-triviala modeller som 3D de Sitter-utrymme med en kompakterad dimension, 2D de Sitter-utrymme med två kompakterade dimensioner , 4D de Sitter dS4 och anti-de Sitter AdS4 utrymmen.

Lins med gradientindex

Transformationsoptik används för att öka kapaciteten hos linser med gradientindex.

Konventionella optiska begränsningar

Optiska element (linser) utför en mängd olika funktioner, allt från bildbildning till ljusprojektion eller ljusinsamling. Prestanda hos dessa system begränsas ofta av deras optiska element, som dominerar systemvikt och kostnad, och tvingar fram avvägningar mellan systemparametrar såsom brännvidd, synfält (eller acceptansvinkel), upplösning och avstånd.

Konventionella linser begränsas i slutändan av geometri. Tillgängliga designparametrar är ett enda brytningsindex (n) per linselement, variationer i elementets ytprofil, inklusive kontinuerliga ytor (linskrökning) och/eller diskontinuerliga ytor (diffraktiv optik). Ljusstrålar genomgår brytning vid ytorna av varje element, men färdas i raka linjer inom linsen. Eftersom designutrymmet för konventionell optik är begränsat till en kombination av brytningsindex och ytstruktur, leder korrigering för aberrationer (till exempel genom användning av akromatisk eller diffraktiv optik) till stora, tunga, komplexa konstruktioner och/eller större förluster, lägre bildkvalitet och tillverkningssvårigheter.

GRIN linser

Gradientindexlinser (eller GRIN-linser) som namnet antyder, är optiska element vars brytningsindex varierar inom linsen. Kontroll av den inre brytningen tillåter styrning av ljus i krökta banor genom linsen. GRIN-optik ökar alltså designutrymmet för att inkludera hela volymen av de optiska elementen, vilket ger potentialen för dramatiskt minskad storlek, vikt, elementantal och monteringskostnad, samt öppnar upp nytt utrymme för att byta mellan prestandaparametrar. Tidigare försök att tillverka GRIN-objektiv med stor bländare har dock haft begränsad framgång på grund av begränsad förändring av brytningsindex, dålig kontroll över indexprofiler och/eller allvarliga begränsningar i linsdiameter.

Senaste framstegen

De senaste stegen inom materialvetenskap har lett till minst en metod för att utveckla stora (>10 mm) GRIN-linser med 3-dimensionella gradientindex. Det finns en möjlighet att lägga till utökade deformationsmöjligheter till GRIN-linserna. Detta översätts till kontrollerad expansion, sammandragning och skjuvning (för linser med variabelt fokus eller asymmetriska optiska variationer). Dessa förmågor har visats. Dessutom ger de senaste framstegen inom transformationsoptik och beräkningskraft en unik möjlighet att designa, montera och tillverka element för att främja användbarheten och tillgängligheten av GRIN-linser över ett brett utbud av optikberoende system, definierade av behov. En möjlig framtida förmåga skulle kunna vara att ytterligare utveckla linsdesignmetoder och verktyg, som är kopplade till förstorade tillverkningsprocesser.

Battlefield-applikationer

Transformationsoptik har potentiella tillämpningar för slagfältet. Metamaterialens mångsidiga egenskaper kan skräddarsys för att passa nästan alla praktiska behov, och transformationsoptik visar att utrymme för ljus kan böjas på nästan vilket godtyckligt sätt som helst. Detta uppfattas som att ge nya förmågor till soldater på slagfältet. För slagfältsscenarier har fördelar från metamaterial både kortsiktiga och långsiktiga effekter.

Till exempel är det mycket svårt att snabbt bedöma om ett moln i fjärran är ofarligt eller en aerosol av fiendens kemiska eller biologiska krigföring. Men med de nya metamaterialen som utvecklas, finns förmågan att se saker som är mindre än ljusets våglängd - något som ännu inte har uppnåtts i det avlägsna fältet . Att använda metamaterial i skapandet av en ny lins kan göra det möjligt för soldater att kunna se patogener och virus som är omöjliga att upptäcka med någon visuell enhet.

Utnyttjande av subvåglängdskapacitet möjliggör sedan andra framsteg som verkar vara bortom slagfältet. Alla typer av material kunde tillverkas med nanotillverkning, som skulle kunna gå in i elektroniska och optiska enheter från mörkerseendeglasögon till avståndssensorer till andra typer av sensorer. Långsiktiga vyer inkluderar möjligheten för cloaking material, vilket skulle ge "osynlighet" genom att omdirigera ljus runt en cylindrisk form.

Se även

Mer läsning och allmänna referenser

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Transformation_optics&oldid=1100645786 "