METATA

Zobacz przez szereg wydłużonych, pionowych pryzmatów Dove , tworzących METATOY, który odwraca poziomy kierunek przechodzących promieni świetlnych. Zielone pudełko, rozciągnięte w kierunku prostopadłym do METATOY, wydaje się wygięte w hiperbolę, gdy patrzy się przez METATOY. Zbliżenie METATOY można zobaczyć na poniższym obrazku.

METATOY to arkusz utworzony z dwuwymiarowej matrycy małych, teleskopowych elementów optycznych, które zmieniają ścieżkę przechodzących promieni świetlnych . METATOY to akronim „metamateriał dla promieni”, reprezentujący szereg analogii z metamateriałami ; METATOY spełniają nawet kilka definicji metamateriałów, ale z pewnością nie są metamateriałami w zwykłym tego słowa znaczeniu. Patrząc z odległości, widok przez każdy teleskopowy element optyczny działa jak jeden piksel widoku przez METATOY jako całość. W najprostszym przypadku poszczególne elementy optyczne są identyczne; METATOY zachowuje się wtedy jak jednorodne, ale pikselowane okno, które może mieć bardzo nietypowe właściwości optyczne (zobacz obraz widoku przez METATOY).

METATOY są zwykle traktowane w ramach optyki geometrycznej ; zmiana kierunku promienia światła dokonana przez METATOY jest opisana przez odwzorowanie kierunku dowolnego przychodzącego promienia światła na odpowiedni kierunek promienia wychodzącego. Odwzorowania kierunku promieni świetlnych mogą być bardzo ogólne. METATOY mogą nawet tworzyć pikselowane pola promieni świetlnych, które nie mogłyby istnieć w formie niepikselowej z powodu warunków narzuconych przez optykę falową .

Większość prac nad METATOY ma obecnie charakter teoretyczny, poparty symulacjami komputerowymi. Do tej pory przeprowadzono niewielką liczbę eksperymentów; trwają dalsze prace eksperymentalne.

Przykłady METATOY

Zbliżenie METATOY utworzonej przez układ pionowych pryzmatów Dove , widzianych z góry. Widok przez METATOY pokazano na poprzednim obrazie.

Teleskopowe elementy optyczne, które były używane jako komórka elementarna tablic dwuwymiarowych i które w związku z tym tworzą jednorodne METATOY, obejmują parę identycznych soczewek (ogniskowa), które $tę$ samą oś optyczną (prostopadłą do METATOY) i które są oddzielone ${\ displaystyle 2f}$ , to znaczy dzielą jedną płaszczyznę ogniskową (specjalny przypadek teleskopu refrakcyjnego o powiększeniu kątowym -1); para nieidentycznych soczewek (ogniskowe i ${\ displaystyle f_ {1}$ } ${\ Displaystyle f_ {2}}$ ), które mają tę samą oś optyczną (ponownie prostopadłą do METATOY) i które są oddzielone przez ${\ Displaystyle f_ {1} + f_ {2}}$ , czyli ponownie dzielą jedną płaszczyznę ogniskową (uogólnienie poprzedniego przypadku, teleskop refrakcyjny o dowolnym powiększeniu kątowym); para nieidentycznych soczewek (ogniskowe $f_$ fa ${2}}$ ), które dzielą jedną płaszczyznę ogniskową, to znaczy mają wspólny kierunek osi optycznej, która niekoniecznie jest prostopadła do METATOY, i są oddzielone przez ${\ displaystyle f_ {1} + f_ {2} }$ (uogólnienie poprzedniego przypadku); pryzmat ; _ i pryzmat Gołębicy

Przykłady niejednorodnych METATOY obejmują lupę mory, która jest oparta na celowo „błędnie ustawionych” parach konfokalnych układów mikrosoczewkowych ; Soczewki Fresnela , które można postrzegać jako niejednorodne METATOY wykonane z pryzmatów; oraz matowe szkło , które można postrzegać jako skrajny przypadek niejednorodnej, przypadkowej METATOTOY wykonanej z pryzmatów.

Przykłady METATOY, jak zdefiniowano powyżej, istniały na długo przed zauważeniem analogii z metamateriałami i uznano, że METATOY mogą wykonywać mapowania kierunku promienia z optycznie zabronionymi falami (w formie pikselowej).

Falowo-optyczne ograniczenia pól promieni świetlnych i METATOY

Optyka falowa opisuje światło na bardziej podstawowym poziomie niż optyka geometryczna . W granicy optyki promieniowej (w której długość fali optycznej dąży do zera) optyki skalarnej (w której światło jest opisane jako fala skalarna , przybliżenie, które dobrze sprawdza się dla światła przyosiowego o jednolitej polaryzacji ), pole promieni świetlnych r ${\ Displaystyle (x, y, z)}$ odpowiadający fali świetlnej ${\ Displaystyle u (x, y, z)}$ to jego gradient fazowy

${\ Displaystyle \ mathbf {r} (x, y, z) = \ nabla \ fi (x, y, z)}$

gdzie ${\ Displaystyle \ phi (x, y, z)}$ jest fazą fali ${\ Displaystyle u (x, y, z) = A (x, y, z) \ exp (i \ phi (x, y, z))}$ . Ale wg rachunek wektorowy , to znaczy zwinięcie dowolnego gradientu wynosi zero

${\ Displaystyle \ nabla \ razy \ nabla \ phi (x, y, z) = 0,}$

i dlatego

${\ Displaystyle \ nabla \ razy \ mathbf {r} (x, y, z) = 0.}$

To ostatnie równanie jest warunkiem, wyprowadzonym z optyki falowej, na polach promieni świetlnych. (Każde z trzech równań składających się na to równanie wektorowe wyraża symetrię drugich pochodnych przestrzennych , tak jak początkowo sformułowano warunek.)

Na przykładzie arkuszy obracających się promieniami pokazano, że METATOY mogą tworzyć pola promieni świetlnych, które nie spełniają powyższego warunku na polach promieni świetlnych.

Związek z metamateriałami

METATOY nie są metamateriałami w standardowym znaczeniu. Akronim „metamateriał dla promieni” został wybrany ze względu na szereg podobieństw między METATOY i metamateriałami, które omówiono poniżej wraz z różnicami. Ponadto metamateriały stanowiły inspirację dla wczesnych badań METATOY, co podsumowano w następującym cytacie:

Zmotywowani chęcią zbudowania elementów optycznych, które mają niektóre właściwości wizualne metamateriałów w skali codziennych rozmiarów i w całym widzialnym spektrum długości fal, niedawno zaczęliśmy badać arkusze utworzone przez zminiaturyzowane elementy optyczne, które zmieniają kierunek przechodzących promieni świetlnych.

Podobieństwa z metamateriałami

Pod wieloma względami METATOY są analogiczne do metamateriałów : struktura : metamateriały to układy małych (o rozmiarach poniżej długości fali) składowych falowo-optycznych (obwody elektromagnetyczne rezonujące z częstotliwością optyczną), podczas gdy METATOY to układy małych (tak że dobrze sprawdzają się jako piksele), teleskopowe, „komponenty promieniowo-optyczne”; funkcjonalność : zarówno metamateriały, jak i METATOY mogą zachowywać się jak materiały jednorodne, w przypadku metamateriałów objętość materiału, w przypadku METATOY materiał arkuszowy, w obu przypadkach o bardzo nietypowych właściwościach optycznych, takich jak ujemne załamanie światła.

Różnice z metamateriałami

Prawdopodobnie wśród najbardziej zdumiewających właściwości metamateriałów są takie, które są zasadniczo falowo-optyczne i dlatego nie są odtwarzane w METATOY. Obejmują one wzmocnienie zanikających fal, które w zasadzie mogą prowadzić do doskonałych soczewek („supersoczewek”) i powiększających supersoczewek („hipersoczewek”); odwrócenie prędkości fazowej ; odwrócenie przesunięcia Dopplera .

Jednakże, ponieważ nie są one związane ograniczeniami falowo-optycznymi w polach promieni świetlnych, można argumentować ^{[ przez kogo? ]} , że METATOY mogą dokonywać zmian kierunku promienia świetlnego, których metamateriały nie były w stanie, chyba że METATOY zostały skutecznie zbudowane z metamateriałów.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Artykuł dydaktyczny na temat METATOY