黑洞是存在于宇宙空間中的一類大質(zhì)量天體，因引力極大，所有進(jìn)入其視界內(nèi)的光和粒子都無法逃逸。受黑洞能夠完美吸收視界內(nèi)物質(zhì)這一特性啟發(fā)，研究人員一直希望能夠設(shè)計(jì)一些“人工黑洞”結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)能量收集的最大化。近日，來自廈門大學(xué)的陳煥陽教授和陳錦輝副教授研究團(tuán)隊(duì)，利用變換光學(xué)原理構(gòu)造了一類可以完全抑制輻射損耗的光學(xué)黑洞微腔，相關(guān)成果以《保角光學(xué)黑洞微腔》為題發(fā)表于光學(xué)期刊《eLight》。

自黑洞被預(yù)測以來，科學(xué)家們一直在探索如何在地球上模擬黑洞，隨著超材料的發(fā)展，這一大膽設(shè)想正在逐步實(shí)現(xiàn)。陳煥陽告訴科技日報(bào)記者，理論上，通過調(diào)節(jié)超材料的等效電磁參數(shù)可以使光波產(chǎn)生如拐彎或被完全吸收的現(xiàn)象，從而模擬出黑洞、宇宙弦和愛因斯坦環(huán)等引力效應(yīng)，這種設(shè)計(jì)可以對光波進(jìn)行自由調(diào)控。

回音壁光學(xué)微腔是集成光學(xué)基本元件，如同聲波能沿著天壇的回音壁傳播很遠(yuǎn)距離一樣，光子也會在微腔表面沿著環(huán)形邊界傳播。不過長期以來，這類回音壁光學(xué)微腔固有的輻射損耗問題一直困擾著研究人員，特別是當(dāng)微腔尺寸接近于光波長時(shí)，輻射損耗將顯著增加。受人工黑洞研究的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)利用變換光學(xué)原理成功解決了回音壁微腔輻射損耗這一技術(shù)難點(diǎn)。

用折射率的空間變化與彎曲時(shí)空的等價(jià)實(shí)現(xiàn)對電磁波任意調(diào)控的方法，被稱為變換光學(xué)。基于麥克斯韋方程組在坐標(biāo)變換下具有形式不變的特性，研究人員通過對物理空間中的光進(jìn)行保角變換操作，即在坐標(biāo)函數(shù)變換過程中保持曲線夾角不變，構(gòu)造了一類圓對稱的光學(xué)黑洞微腔。

陳錦輝介紹，區(qū)別于傳統(tǒng)均勻折射率的回音壁微腔，基于變換光學(xué)原理設(shè)計(jì)的微腔在包層具有獨(dú)特的梯度折射率分布，從而構(gòu)造出一個(gè)始終大于光子能量的勢壘，使得光子無法隧穿，從而被有效束縛在微腔中。研究人員還制備了截?cái)嗟墓鈱W(xué)黑洞微腔器件，并進(jìn)行了微波實(shí)驗(yàn)測量，證實(shí)了該設(shè)計(jì)方案的有效性。

“根據(jù)這一設(shè)計(jì)思路，此類圓對稱光學(xué)黑洞微腔還可推廣至任意形狀，例如單核的四極子腔與雙核的類花生形腔等。”陳煥陽表示，基于變換光學(xué)原理設(shè)計(jì)光學(xué)微腔的策略，不僅為調(diào)控微腔表面光場提供了一種新的思路，還可以推廣到聲波和彈性波等其他波系統(tǒng)的共振模式，并有望在能量收集和片上集成光子器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 大質(zhì)量天體 變換光學(xué)原理 輻射損耗 光學(xué)黑洞微腔