用变换光学原理造出“人工黑洞”

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黑洞是存在于宇宙空间中的一类大质量天体，因引力极大，所有进入其视界内的光和粒子都无法逃逸。受黑洞能够完美吸收视界内物质这一特性启发，研究人员一直希望能够设计一些“人工黑洞”结构，以实现能量收集的最大化。近日，来自厦门大学的陈焕阳教授和陈锦辉副教授研究团队，利用变换光学原理构造了一类可以完全抑制辐射损耗的光学黑洞微腔，相关成果以《保角光学黑洞微腔》为题发表于光学期刊《eLight》。
自黑洞被预测以来，科学家们一直在探索如何在地球上模拟黑洞，随着超材料的发展，这一大胆设想正在逐步实现。陈焕阳告诉科技日报记者，理论上，通过调节超材料的等效电磁参数可以使光波产生如拐弯或被完全吸收的现象，从而模拟出黑洞、宇宙弦和爱因斯坦环等引力效应，这种设计可以对光波进行自由调控。
回音壁光学微腔是集成光学基本元件，如同声波能沿着天坛的回音壁传播很远距离一样，光子也会在微腔表面沿着环形边界传播。不过长期以来，这类回音壁光学微腔固有的辐射损耗问题一直困扰着研究人员，特别是当微腔尺寸接近于光波长时，辐射损耗将显著增加。受人工黑洞研究的启发，研究团队利用变换光学原理成功解决了回音壁微腔辐射损耗这一技术难点。
用折射率的空间变化与弯曲时空的等价实现对电磁波任意调控的方法，被称为变换光学。基于麦克斯韦方程组在坐标变换下具有形式不变的特性，研究人员通过对物理空间中的光进行保角变换操作，即在坐标函数变换过程中保持曲线夹角不变，构造了一类圆对称的光学黑洞微腔。
陈锦辉介绍，区别于传统均匀折射率的回音壁微腔，基于变换光学原理设计的微腔在包层具有独特的梯度折射率分布，从而构造出一个始终大于光子能量的势垒，使得光子无法隧穿，从而被有效束缚在微腔中。研究人员还制备了截断的光学黑洞微腔器件，并进行了微波实验测量，证实了该设计方案的有效性。
“根据这一设计思路，此类圆对称光学黑洞微腔还可推广至任意形状，例如单核的四极子腔与双核的类花生形腔等。”陈焕阳表示，基于变换光学原理设计光学微腔的策略，不仅为调控微腔表面光场提供了一种新的思路，还可以推广到声波和弹性波等其他波系统的共振模式，并有望在能量收集和片上集成光子器件设计领域得到应用。