南京大学刘辉/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，制备出能在几何光学和波动光学下同时工作的器件，并理论上演示了其在数字编码方面的潜在应用价值。
2017中国光学重要成果推荐
信息技术的变革深刻影响着人们的工作、生活乃至思想观念。当前信息的载体主要是电子和光子，随着电子集成芯片技术越来越接近发展的极限，摩尔定律正受到越来越严峻的挑战，同时随着信息量的爆增，人们对通信速度和容量提出了更高的要求。考虑到光子可作为最快速的信息载体，因而光子集成芯片技术受到人们越来越多的关注。
为了实现光子集成，人们提出了各种的微纳光子体系，例如：光子晶体、金属表面等离激元、超材料与超表面、硅基光子结构等。另一方面，为了突破现有框架，实现更好的光子集成技术，理论学者从基础物理原理出发，提出了变换光学的设计方法。
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。
近年来，随着材料加工技术的进步，许多基于变换光学原理的新颖器件在实验室被制备出来，例如电磁隐身斗篷、光子黑洞、爱因斯坦环等。在实验上，变换光学虽然取得了一些成功，但是依然面临着很多难题。因为根据变换光学理论，为了任意调控电磁波，材料参数就要求是非均匀和各向异性的，这样的材料制备起来非常困难。
除此之外，利用超构材料的思想，用到的材料基元需要远小于工作波长，以确保材料参数的等效性，这样，器件的大小就不能做得太大，也不容易在几何光学下和传统的光学对接。因此，如何设计可以同时在几何光学和波动光学下工作的器件，具有重要的基础研究价值。
作为变换光学的分支理论，共形变换光学(Co
nformal 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。根据这个思想，南京大学刘辉/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，制备出能在几何光学和波动光学下同时工作的器件，并理论上演示了其在数字编码方面的潜在价值。相关研究成果发表在Phy s . Rev. Lett. [119, 033902 (2017)] 上，并被编辑选为推荐论文。
图1 (a) Maxwell 鱼眼透镜；(b)黎曼页上螺旋曲线；(c)自聚焦效应实验照片；(d)自聚焦效应模拟仿真；(e)类Sine曲线实验照片；(f) 类Sine曲线模拟仿真。
早在1854 年，J.C. Maxwell就研究了著名的Maxwell 鱼眼透镜（图1(a)），近年来研究者发现，该透镜具有完美成像的功能。该团队利用共形变换光学理论，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1 (b)），得到了Mikaelian透镜。在实验室里，借助于渐变折射率光学波导体系，他们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（图1(c), 1(d)）和类Sine曲线（图1(e),1(f)）。
图2 (a)传统的Talbot效应；(b) 共形Talbot效应实验照片；(c)模拟仿真结果；(d)解析理论计算结果。
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年被Henry Fox Talbot首次发现，于1881年被Lord Rayleigh 首次从理论上解释，其本质是干涉效应。
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，如图2(a)所示。但是在该团队所设计的共形变换光学波导里物体的图像可以传递到远方，如果该过程中没有损耗，理论上可以传递到无限远的地方，如图2(b)-(d)所示。
图3 共形Talbot效应的数字编码功能演示。(a)，(b)，(c)编码信息源分别为010001000100010001000100010001000100，011001100110011001100110011001100110，011101110111011101110111011101110111。
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传递到远方，如图3所示。
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。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.033902
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