METATOY - METATOY

Pohled skrz řadu podlouhlých, vzpřímených, Dove hranoly, tvořící METATOY, který převrací horizontální směr paprsků procházejícího světla. Zelená krabička, natažená ve směru kolmém na METATOY, se při pohledu skrz METATOY jeví zahnutá do hyperboly. Detailní pohled na METATOY můžete vidět na následujícím obrázku.

A METATOY je list, tvořený dvourozměrným polem malých, teleskopických optických komponent, který přepíná cestu paprsků procházejícího světla. METATOY je zkratka pro „metamateriál pro paprsky“, což představuje řadu analogií s metamateriály; METATOY dokonce splňují několik definic metamateriálů, ale rozhodně nejsou metamateriály v obvyklém smyslu. Při pohledu z dálky působí pohled skrz každou jednotlivou teleskopickou optickou součást jako jeden pixel pohledu skrz METATOY jako celek. V nejjednodušším případě jsou jednotlivé optické komponenty identické; METATOY se pak chová jako homogenní, ale pixelované okno, které může mít velmi neobvyklé optické vlastnosti (viz obrázek pohledu přes METATOY).

S METATOY se obvykle zachází v rámci geometrická optika; změnu směru světelného paprsku prováděnou METATOY popisuje a mapování směru jakéhokoli přicházejícího světelného paprsku do příslušného směru odchozího paprsku. Mapování směru světelných paprsků může být velmi obecné. METATOY mohou dokonce vytvářet pixelovaná pole světelných paprsků, která by nemohla existovat v nepixelované formě kvůli podmínce uložené vlnová optika.[1]

Velká část práce na METATOY je v současné době teoretická, podložená počítačovými simulacemi. Doposud bylo provedeno malé množství experimentů; probíhají další experimentální práce.

Příklady METATOY

Detailní pohled na METATOY tvořený řadou vzpřímených Dove hranoly, při pohledu shora. Pohled přes METATOY je zobrazen na předchozím obrázku.

Teleskopické optické komponenty, které byly použity jako jednotková buňka dvourozměrných polí, a které proto tvoří homogenní METATOY, zahrnují dvojici identických čoček (ohnisková vzdálenost ), které sdílejí stejnou optickou osu (kolmo na METATOY) a které jsou odděleny znakem , to znamená, že sdílejí jednu ohniskovou rovinu (speciální případ a refrakční dalekohled s úhlové zvětšení -1);[2] pár neidentických čoček (ohniskové vzdálenosti a ), které sdílejí stejnou optickou osu (opět kolmo na METATOY) a které jsou odděleny znakem , to znamená, že opět sdílejí jednu ohniskovou rovinu (zobecnění prvního případu, refrakční dalekohled s jakýmkoli úhlovým zvětšením);[3] pár neidentických čoček (ohniskové vzdálenosti a ), které sdílejí jednu ohniskovou rovinu, to znamená, že sdílejí směr optické osy, který nemusí být nutně kolmý na METATOY, a jsou odděleny (zobecnění prvního případu);[4] A hranol;[5] a a Dove hranol [6][7][8][9]

Mezi příklady nehomogenních METATOY patří moaré lupa,[10] který je založen na záměrně „nesprávně zarovnaných“ párech konfokálu pole mikročoček; Fresnelovy čočky, které lze považovat za nehomogenní METATOY vyrobené z hranolů; a namrzlé sklo, což lze považovat za extrémní případ nehomogenní, náhodné METATOY vyrobené z hranolů.

Příklady METATOY, jak jsou definovány výše, existovaly dlouho předtím, než byly zaznamenány analogie s metamateriály, a bylo zjištěno, že METATOY mohou provádět vlnově opticky zakázané mapování směru paprsků (v pixelové formě).[1]

Vlnová optická omezení světelných paprsků a METATOY

Vlnová optika popisuje světlo na zásadnější úrovni než geometrická optika. V limitu paprskové optiky (ve které optické vlnová délka má sklon k nule) skalární optiky (ve které je světlo popsáno jako a skalární vlna, aproximace, která funguje dobře paraxiální světlo s uniformou polarizace ), pole světelného paprsku r odpovídající světelné vlně je jeho fázový gradient,[11]

kde je fáze vlny . Ale podle vektorový počet, zvlnění libovolného přechodu je nula, to znamená

a proto

Tato poslední rovnice je podmínkou odvozenou z vlnové optiky na polích světelných paprsků. (Každá ze tří rovnic, které tvoří tuto vektorovou rovnici, vyjadřuje symetrie druhých prostorových derivací, což je způsob, jakým byla podmínka původně formulována.[1])

Na příkladu listů rotace paprsků[12] ukázalo se, že METATOY mohou vytvářet pole světelných paprsků, která nesplňují výše uvedené podmínky na polích světelných paprsků.[1]

Vztah k metamateriálům

METATOY nejsou metamateriály ve standardním smyslu. Zkratka „metamateriál pro paprsky“ byla zvolena z důvodu řady podobností mezi METATOY a metamateriály,[1] Metamateriály navíc poskytly inspiraci pro raný výzkum METATOY, jak je shrnuto v následujícím citátu:[1]

Motivováni touhou stavět optické prvky, které mají některé vizuální vlastnosti metamateriálů v měřítku každodenní velikosti a v celém spektru viditelných vlnových délek, jsme nedávno začali zkoumat listy tvořené miniaturizovanými optickými prvky, které mění směr procházejících paprsků světla.

Podobnosti s metamateriály

V mnoha ohledech jsou METATOY analogické metamateriály:[1]struktura: metamateriály jsou pole malých vlnových optických komponent (velikost pod vlnovou délkou) (elektromagnetické obvody rezonující s optickou frekvencí), zatímco METATOY jsou pole malých (takže fungují dobře jako pixely), teleskopických, „paprskově optických“ součásti ";funkčnost: metamateriály i METATOY se mohou chovat jako homogenní materiály, v případě metamateriálů objem materiálu, v případě METATOY plošný materiál, v obou případech s velmi neobvyklými optickými vlastnostmi, jako je negativní lom světla.

Rozdíly s metamateriály

Pravděpodobně mezi nejzajímavější vlastnosti metamateriálů patří některé, které jsou zásadně vlnově optické, a proto nejsou reprodukovány v METATOY. Mezi ně patří zesílení evanescentních vln, které mohou v zásadě vést k dokonalým čočkám („superčočkám“) [13] a zvětšovací superobjektivy („hyperobjektivy“);[14][15] obrácení fázová rychlost; obrácení Dopplerův posun.

Protože však nejsou vázány vlnovými optickými omezeními na pole světelných paprsků, lze argumentovat[kým? ] že METATOY mohou provádět změny směru paprsků paprsků, které metamateriály nemohly, ledaže by byl METATOY účinně postaven z metamateriálů.

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F G A. C. Hamilton a J. Courtial (2009). „Metamateriály pro světelné paprsky: paprsková optika bez vlnově optického analogu v limitu paprskové optiky“. Nový J. Phys. 11 (1): 013042. arXiv:0809.4370. Bibcode:2009NJPh ... 11a3042H. doi:10.1088/1367-2630/11/1/013042.
  2. ^ R. F. Stevens a T. G. Harvey (2002). „Pole čoček pro trojrozměrný zobrazovací systém“. J. Opt. Soc. Dopoledne. A. 4 (4): S17 – S21. Bibcode:2002JOptA ... 4S..17S. doi:10.1088/1464-4258/4/4/353.
  3. ^ J. Courtial (2008). „Ray-optical lom s konfokálními poli čoček“. Nový J. Phys. 10 (8): 083033. Bibcode:2008NJPh ... 10h3033C. doi:10.1088/1367-2630/10/8/083033.
  4. ^ A. C. Hamilton a J. Courtial (2009). Msgstr "Zobecněná lom světla pomocí polí čoček". J. Opt. Soc. Dopoledne. A. 11 (6): 065502. arXiv:0901.3250. Bibcode:2009JOptA..11f5502H. doi:10.1088/1464-4258/11/6/065502.
  5. ^ Chien-Yue Chen; et al. (2008). „Návrh optického systému využívající mikroprismatické pole jednoho páru stereofonních obrazů“. Opt. Vyjádřit. 16 (20): 15495–15505. Bibcode:2008Oexpr..1615495C. doi:10.1364 / OE.16.015495. PMID  18825188.
  6. ^ Tongshu Lian a Ming-Wen Chang (1996). "Nové typy odrážejících hranolů a sestav odrážejících hranolů". Optické inženýrství. 35 (12): 3427–3431. Bibcode:1996OptEn..35,3427L. doi:10.1117/1.601103.
  7. ^ USA 6097554 Watkins, Robert A., „Multiple Dove Prism Assembly“. 
  8. ^ J. Courtial a J. Nelson (2008). „Negativní lom paprsků a pseudoskopické zobrazování pomocí Dove-hranolových polí“. Nový J. Phys. 10 (2): 023028. Bibcode:2008NJPh ... 10b3028C. doi:10.1088/1367-2630/10/2/023028.
  9. ^ A. C. Hamilton a J. Courtial (2008). "Optické vlastnosti listu Dove-hranolu". J. Opt. Soc. Dopoledne. A. 10 (12): 125302. Bibcode:2008JOptA..10l5302H. doi:10.1088/1464-4258/10/12/125302.
  10. ^ M. C. Hutley; et al. (1994). "Moaré lupa". Pure Appl. Opt .: J. Eur. Opt. Soc. Část A. 3 (2): 133–142. Bibcode:1994PApOp ... 3..133H. doi:10.1088/0963-9659/3/2/006.
  11. ^ Landau, L. D .; Lifschitz, E. M. (1992). Klassische Feldtheorie. Akademie Verlag. str. 154–157. ISBN  978-3-05-501550-2.
  12. ^ A. C. Hamilton; et al. (2009). "Místní rotace světelných paprsků". J. Opt. Soc. Dopoledne. A.
  13. ^ J. B. Pendry (2000). "Negativní lom dělá perfektní čočku". Phys. Rev. Lett. 85 (18): 3966–3969. Bibcode:2000PhRvL..85.3966P. doi:10.1103 / PhysRevLett.85.3966. PMID  11041972.
  14. ^ Z. Jacob; et al. (2006). „Optical Hyperlens: Far-field imaging beyond the diffraction limit“. Opt. Vyjádřit. 14 (18): 8247–8256. arXiv:fyzika / 0607277. Bibcode:2006Odpr .. 14,8247J. doi:10.1364 / OE.14.008247. PMID  19529199.
  15. ^ Z. Liu; et al. (2007). „Optické hyperleny vzdáleného pole zvětšující objekty omezené subdifrakcí“. Věda. 315 (5819): 1686. Bibcode:2007Sci ... 315.1686L. CiteSeerX  10.1.1.708.3342. doi:10.1126 / science.1137368. PMID  17379801.

externí odkazy