利用极端各向异性超构材料设计场能量会聚器件

It is an important research topic of physics, optics, and information science, to manipulate the propagation of light freely. Among all these methods, transformation optics (TO) is quite effective. By designing the anisotropy and inhomogenity of materials, TO can achieve arbitrary manipulation of light. The development of metamaterials has provided a solid base for the realization of such special materials. However, the development of TO is extremely imbalanced currently. There are more than 3,000 theoretical papers published, while less than fifty for experimental work. Extremely anisotropic metamaterials is one kind of metamaterials with zero or infinite value of material parameters in one particular direction, which could be realized by using special layered structures. In this project, we plan to employ extremely anisotropic metamaterials to design and realize a series of TO devices. First, we need to connect extremely anisotropic metamaterials and TO rigorously, and come up with the design method. Next, we hope we could realize a series of TO devices in microwave frequencies, especially the field concentrators of arbitrary shapes. Finally, we wish to extend this method to acoustic, elastic and water surface waves. Hopefully the devices we are to realize can contribute to the further development of TO and its related interdisciplines.

自由操控光的行为，是当前物理、光电和信息学科的一个重要研究课题。变换光学是其中一种极其有效的方法，它是通过设计材料的各向异性和非均匀性，来实现对光的任意调控。超构材料的发展，为这类特殊材料的实现提供了坚强的后盾。但是目前整个领域的发展极不平衡，理论有超过3000篇的文章发表，而实验却仅有不到50篇的工作。极端各向异性超构材料是指在某个方向的电磁参数为0或无限大的超构材料，它可通过特别的层状结构设计得到。本项目拟利用极端各向异性超构材料设计和实现一系列的变换光学器件。首先，我们需要把极端各向异性超构材料和变换光学严格联系起来，建立起一套设计的方法，其次，我们希望能够在微波段实现一系列的变换光学器件，特别是任意形状场的会聚器件等。最后，我们希望能够在声波、弹性波以及表面水波等方向推广这个方法。希望我们所实现的器件，能够为变换光学及其交叉学科的进一步发展做出贡献。

在项目资助下，我们顺利地完成了本项目的研究目标。具体开展的研究内容包括：（a）变换光学和保角光学器件研究；（b）渐变折射率器件研究；（c）声子极化激元调控；（d）水波平台中光学现象模拟；（e）天文现象的光学模拟；（f）光子/声子晶体拓扑现象研究。通过研究，我们提出了基于与法布里-珀罗共振的场集中器的解析理论，实现了任意形状的场集中器，并将场集中器推广至声波、弹性波；我们揭示了不同保角变换下的拓扑缺陷和奇点效应，用保角等价性证明了渐变折射率光学波导等价于弯曲均匀光学波导；我们将变换光学方法与光学绝对透镜（如麦克斯韦鱼眼透镜等）相结合，设计出了多种新型透镜；我们利用渐变折射率材料设计了许多新型器件，可以实现聚焦、焦散等现象；我们发展了等效介质理论，为多层结构的声子极化激元色散的计算带来便利，进一步我们实现了对声极化激元的多种有效操控；我们将一些光学现象推广至水波，实现了水波能量集中器和水波波导隐身；我们在光学系统中对不同的天文现象进行了有效模拟；我们研究了光子/声子晶体中的拓扑现象，在不同体系中发现了拓扑态。取得的研究成果发表在包括Nature Communications、Physical Reviews Letters及Optica等高水平期刊上。