摘要：長(zhǎng)期以來(lái)，變換光學(xué)做為普通光學(xué)的技術(shù)性升級(jí)給人以“高冷”的印象。但是，2006年隱身斗篷被發(fā)明出來(lái)，變換光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用讓人眼前一亮。并且經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)沉淀，變換光學(xué)已經(jīng)成為多種科學(xué)器件得以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值的核心技術(shù)。本文以多方位視角，對(duì)變換光學(xué)的理論概念、分析方法、器件應(yīng)用做出系統(tǒng)性的說(shuō)明，以期幫助相關(guān)學(xué)者對(duì)變換光學(xué)有一個(gè)全面、清晰的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：變換光學(xué)；隱身斗篷；分析方法；器件應(yīng)用

引言

隨著科技的發(fā)展，原始激光光束已經(jīng)無(wú)法滿足其在科技領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求，人們?cè)诠ぷ髦幸�解決激光變換傳輸?shù)膯?wèn)題，如光的擴(kuò)散、準(zhǔn)直、波形、聚焦等。變換光學(xué)的出現(xiàn)很好的幫助激光應(yīng)用突破了變換傳輸?shù)募夹g(shù)性問(wèn)題，在世界科技領(lǐng)域引起了眾多學(xué)者的重視。早在 1989 年，我國(guó)學(xué)術(shù)界就已經(jīng)開(kāi)展了有關(guān)變換光學(xué)專項(xiàng)研究的工作，為我國(guó)的名大科技事業(yè)的進(jìn)步，提供了不可替代的理論支持。所以，開(kāi)展變換光學(xué)的學(xué)術(shù)研究，對(duì)變換光學(xué)的普及與后續(xù)科研有著重要的科學(xué)意義。

一、變換光學(xué)理論簡(jiǎn)述

從學(xué)術(shù)理論上來(lái)講，變換光學(xué)是研究小角度散發(fā)光波通過(guò)特定的光學(xué)技術(shù)改變傳輸方式的一門(mén)學(xué)科；從物理原理上來(lái)講，變換光學(xué)就是利用超材料改變光學(xué)粒子空間坐標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)建出新的傳輸光束，當(dāng)然這要在特定的電磁輻射帶寬內(nèi)進(jìn)行。由此可見(jiàn)，超材料是變換光學(xué)的實(shí)現(xiàn)物理呈現(xiàn)的基礎(chǔ)。就好像愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論提出重力是改變時(shí)間和空間的因素一樣，超材料也是改變光粒子傳播指向的一種因素。

目前，比較接近大眾認(rèn)知的變換光學(xué)案例就是太陽(yáng)能的應(yīng)用,即通過(guò)特定超材料設(shè)備將太陽(yáng)光集中在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，再將太陽(yáng)光承載的能量收集到太陽(yáng)電池中。可見(jiàn)變換光學(xué)是極具科學(xué)實(shí)踐價(jià)值的一門(mén)物理學(xué)科。

二、變換光學(xué)常見(jiàn)分析方法

變換光學(xué)在科學(xué)器件上的技術(shù)應(yīng)用，離不開(kāi)一個(gè)切實(shí)的數(shù)據(jù)分析過(guò)程。常見(jiàn)的變換光學(xué)分析法有很多，例如:衍射積分法、矩陣表述法、算子代數(shù)法、高斯括號(hào)法、幾何光學(xué)法等等。其中，變換光學(xué)最常用的分析方法就是衍射分析法和矩陣表述法。

首先需要說(shuō)明的是，不管是衍射分析法還是矩陣表述法，都離不開(kāi)空間直角坐標(biāo)系的創(chuàng)建。所以，我們以光束原始傳播“側(cè)垂直”方向?yàn)閤軸，光束原始傳播“上垂直”方向?yàn)閥軸，光束原始傳播“0 角度”方向?yàn)閦軸，則光束在 x*y平面上的位置和方向都可以用坐標(biāo)(qx，qy)和動(dòng)量(Px，Py)表示。根據(jù)以上設(shè)定，在展開(kāi)分析方法說(shuō)明之前我們先列舉出以下變量：

(1)坐標(biāo)：qx=x，qy=y；

(2)動(dòng)量：Px=n*x/(1+xn2+yn2)1/2；Py=n*y/(1+xn2+yn2)1/2，其中n為介質(zhì)折射率；

(3)動(dòng)力運(yùn)算變量：xn=x/z;yn=y/z；

(4)旁軸近似動(dòng)量：Px=n*xn;Py=n*yn；

(5)…...

在明確好各種光離子移動(dòng)位置變量和能量變量之后，就可以開(kāi)始行射積分法和矩陣表述法的分析了。其中，衍射分析法要額外引入獨(dú)有的基爾霍夫概念和名為“傾斜角度”的輔助運(yùn)算定量，具有代表性的分析案例就是計(jì)算激光核聚變系統(tǒng)中“高斯激光束”通過(guò)空間濾波器前后的帶寬變動(dòng)。另外，矩陣表述法要額外引入著名的 ABCD 定律以及光束修復(fù)參數(shù)等概念，具有代表性的分析案例就是描述“高斯激光束”通過(guò)透鏡前后的矩陣布局變動(dòng)。