各向异性变换光学波导对光场传播的调控

Transformation optics and metasurface are currently hot topics in scientific research. This project is based on the combination between transformation optics waveguide and metasurface, study the physical property of light propagation in anisotropic transformation optical waveguide from both theoretical and experimental aspects, by using the correspondence between the Einstein’s equation in general relativity and the Maxwell’s equations of electromagnetic fields. In one hand, some basic physical process and novelty effect of the coupling between the photon polarization freedom and curved spacetime in general relativity can be emulated in this optical system. In the other hand, both the trajectory and polarization of photon can be manipulated using this anisotropic transformation optics waveguide, realizing the function of multiple degrees of freedom to simultaneously manipulate photon. This enhances the power of transformation optics to control photonics, and provides an alternative way to achieve next generation integration chips.

变换光学与超表面是目前国际研究的热门领域。本项目基于变换光学波导和超表面结合的方法，从广义相对论的弯曲空间与材料的电磁参数的等价关系出发，从理论与实验上研究各向异性变换光学波导中光场传播的物理特性。一方面在光学系统中模拟一些光子偏振自由度与广义相对论弯曲时空相互耦合的基本物理过程和新奇效应。另一方面，利用各向异性变换光学波导同时调控光子的轨迹和偏振态，实现光子多自由度同时调控的功能，丰富变换光学对光场调控的手段，为光的集成芯片技术提供新的技术途径。

近些年来，超构表面作为一种二维超构材料得到迅猛发展。这种新型的人工材料相较于传统三维的超构材料，在样品制备的难度和复杂度以及传播损耗方面具有很大的优势。基于这些优势，关于超构表面的平面光学器件得到广泛的报道。除此之外，超构表面也是一种高效调控电磁波近场手段的工具。另一方面，变换光学是一种高效设计特定功能电磁器件的理论工具，典型的代表就是电磁隐身斗篷。而且变换光学同时也是一种将将弯曲时空的引力现象映射到人工材料中进行类比研究广泛被采用的理论工具。在项目执行过程中，对标任务计划书的内容，将变换光学的思想应用到超构表面波导的设计当中，研究了一种具有拓扑性质的时空-宇宙弦时空。第一次在类比的实验体系中，证实理论学家关于这种一维时空拓扑缺陷-宇宙弦的预言，观测到宇宙弦对电磁波的定向散射。相关工作《Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss》发表在国际权威杂志Nature Communications,同时受邀在Science Bulletin上发表《Transformation optics based on metasurfaces》观点性的文章。项目执行期间，进一步将变换光学类比引力的思想拓展到波导阵列的研究，成功地构造了类比黑洞的视界，研究了在黑洞视界附近正负粒子对的产生：正能量的单光子波包逃逸而负能量的单光子波包被黑洞视界捕获的过程。这个过程很好对应了霍金辐射的部分过程。相关工作发表在National Science Review上。