光学表面变换在设计新型光学器件上的应用

In 2006, a novel optical design theory, namely, transformation optics, has been proposed. Based on this new theory, many novel optical devices have been designed and experimentally demonstrated. We extended transformation optics to a new theory-optical surface transformation. Compared with transformation optics, we only need to design the shape of input and output surfaces of the device by the optical surface transformation without considering any mathematical equations. Further more, it only requires one homogenous medium (optic-null medium) to realize all devices designed by the optical surface transformation. In this project, we will try to design some other novel optical devices base on this new theory and transformation optics, including the third kind of invisibility cloaking, optical wormhole, anti-optic-null medium and etc.

变换光学是2006年被提出的一种新型的光学设计理论。基于变换光学理论，人们设计并实验验证了许多新型光学器件。在原先变换光学的理论基础上，本研究团队将其扩展提出了光学表面变换理论。和传统的变换光学理论相比，光学表面变换理论仅需要设计器件的出射面和入射面的形状，而不需要任何数学计算。不仅如此，借助于光学表面变换得到的器件仅需要一种均匀的介质即可实现，也就是零空间介质。本项目将基于表面变换理论和变换光学去设计一些新型的光学器件，其中包括：第三类隐形衣，光学虫洞，反零空间等。

基于光学表面变换理论，设计实现了一系列新型光学器件，其中包括光波模式转换器、任意弯曲角度的波导耦合器、微波功率的空间合成、亚波长聚焦器件、超分辨虚像放大镜、平板放大率可控的超分辨Hyperlens、回反射器、新型隐形衣等。在微波段设计并实现了光学表面变换中需要的光学零空间介质，实现了上面设计得到的部分新型光学器件，并对其带宽、工作角度、效率等性能进行了分析。将光学表面变换理论扩展到其他物理场，提出声学表面变换理论、热学表面变换理论和多物理场表面变换理论，相应地对声学零空间介质、热学零空间介质和多物理场零空间介质展开深入研究，并基于提出的理论设计实现了可以对声波、温度场甚至同时对声波和电磁波可以任意调控的新型器件。.基于光学表面变换理论出发，本项目取得的研究成果包括：1）由光学零空间介质产生了贝塞尔光束、非对称光斑模式、光波导耦合器等新型光学器件。2） 提出了用光学零空间介质实现隐形衣的三种方法，分别基于散射覆盖、光波绕射和保形变换结合的方法。3）引入时间变化因子，提出了光学虫洞类比的方案，并研究了虫洞演变中光线的传播变化情况。4）研究了两种在微波段实现零空间介质的方法，并进行了实验验证。5）研究了反零空间介质的性质，以及其与零空间介质之间的相互关系。6）提出声、热及多物理场表面变换理论。