变换光学及其应用

摘要：长期以来，变换光学做为普通光学的技术性升级给人以“高冷”的印象。但是，2006年隐身斗篷被发明出来，变换光学的技术应用让人眼前一亮。并且经过多年的技术沉淀，变换光学已经成为多种科学器件得以实现应用价值的核心技术。本文以多方位视角，对变换光学的理论概念、分析方法、器件应用做出系统性的说明，以期帮助相关学者对变换光学有一个全面、清晰的认识。

关键词：变换光学；隐身斗篷；分析方法；器件应用

引言

随着科技的发展，原始激光光束已经无法满足其在科技领域的实际应用需求，人们在工作中要解决激光变换传输的问题，如光的扩散、准直、波形、聚焦等。变换光学的出现很好的帮助激光应用突破了变换传输的技术性问题，在世界科技领域引起了众多学者的重视。早在 1989 年，我国学术界就已经开展了有关变换光学专项研究的工作，为我国的名大科技事业的进步，提供了不可替代的理论支持。所以，开展变换光学的学术研究，对变换光学的普及与后续科研有着重要的科学意义。

一、变换光学理论简述

从学术理论上来讲，变换光学是研究小角度散发光波通过特定的光学技术改变传输方式的一门学科；从物理原理上来讲，变换光学就是利用超材料改变光学粒子空间坐标，进而构建出新的传输光束，当然这要在特定的电磁辐射带宽内进行。由此可见，超材料是变换光学的实现物理呈现的基础。就好像爱因斯坦在广义相对论提出重力是改变时间和空间的因素一样，超材料也是改变光粒子传播指向的一种因素。

目前，比较接近大众认知的变换光学案例就是太阳能的应用,即通过特定超材料设备将太阳光集中在一个区域内，再将太阳光承载的能量收集到太阳电池中。可见变换光学是极具科学实践价值的一门物理学科。

二、变换光学常见分析方法

变换光学在科学器件上的技术应用，离不开一个切实的数据分析过程。常见的变换光学分析法有很多，例如:衍射积分法、矩阵表述法、算子代数法、高斯括号法、几何光学法等等。其中，变换光学最常用的分析方法就是衍射分析法和矩阵表述法。

首先需要说明的是，不管是衍射分析法还是矩阵表述法，都离不开空间直角坐标系的创建。所以，我们以光束原始传播“侧垂直”方向为x轴，光束原始传播“上垂直”方向为y轴，光束原始传播“0 角度”方向为z轴，则光束在 x*y平面上的位置和方向都可以用坐标(qx，qy)和动量(Px，Py)表示。根据以上设定，在展开分析方法说明之前我们先列举出以下变量：

(1)坐标：qx=x，qy=y；

(2)动量：Px=n*x/(1+xn2+yn2)1/2；Py=n*y/(1+xn2+yn2)1/2，其中n为介质折射率；

(3)动力运算变量：xn=x/z;yn=y/z；

(4)旁轴近似动量：Px=n*xn;Py=n*yn；

(5)…...

在明确好各种光离子移动位置变量和能量变量之后，就可以开始行射积分法和矩阵表述法的分析了。其中，衍射分析法要额外引入独有的基尔霍夫概念和名为“倾斜角度”的辅助运算定量，具有代表性的分析案例就是计算激光核聚变系统中“高斯激光束”通过空间滤波器前后的带宽变动。另外，矩阵表述法要额外引入著名的 ABCD 定律以及光束修复参数等概念，具有代表性的分析案例就是描述“高斯激光束”通过透镜前后的矩阵布局变动。