作者:朱汉斌 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/6/19 16:15:26
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陈焕阳:变换光学为学科交叉提供广阔舞台

陈焕阳教授近照。

作为一门新兴的学科,变换光学从2006年理论的提出到现在只有十余年的时间,对许多人来说都还是一个陌生的名词。厦门大学电磁声学研究院陈焕阳教授从变换光学发展之初便“迷”上了这一研究。

虽然是理论物理出身,但他在实验不多的变换光学领域与合作者共同努力完成了一系列有意义的实验工作,为变换光学及其在声学、天文学、海洋科学等方面的交叉和应用奠定了坚实基础。

作出系统性理论贡献

陈焕阳的学习和研究经历从未离开过物理。2005年7月陈焕阳上海交通大学应用物理学专业毕业后继续在上海交通大学攻读理论物理学博士,并于2008年6月提前毕业,2008年—2009年间在香港科技大学攻读博士后,完成学业后前往苏州大学物理科学与技术学院任教,2016起到厦门大学任教。

变换光学这一前沿领域2006年首次进入正在攻读博士的陈焕阳的视野。变换光学由 Sir John Pendry 及其合作者和 Ulf Leonhardt 共同于2006年建立,其原理有些类似自然界中的“海市蜃楼”效应,即通过精确设计空间中每一个点以及在这个点上“每一个方向”的折射率来达到自由操控电磁波的目的,变换光学的精髓是通过提出特别的坐标变换进而设计新的功能器件。2006年至今,陈焕阳在变换光学及其交叉学科默默耕耘并作出了系统性理论贡献。

在变换光学理论基础研究方面开展了基于膨胀变换、旋转变换、压缩变换、折叠变换、保角变换等重要变换的研究,完成了多项与隐身器件设计有关的隐身/反隐身理论研究;在旋转变换上提出了首个场旋转器件,该器件可以产生一个幻像使器件内外的空间发生相互旋转,观测者将观察到彼此相互旋转后的像;在压缩变换研究方面提出了场会聚器件新理论,并和合作者利用金属和电介质在矢径方向排成的层状结构实现了场会聚器件;在折叠变换方面和合作者一起提出了超级散射体、超级吸收体、非包裹式隐身等一系列幻像光学器件;最后,在保角变换隐身器件方面的工作,一步步降低了其折射率最大值,为其在波动光学的实验实现提供了可能,而基于保角变换的幻像器件则可以任意调控光源的数量。

拓展学科交叉新领域

陈焕阳认为,变换光学与声学/弹性波、天文学、表面水波、仿生学等的相互交叉将产生深远的影响。近年来,陈焕阳在厦门大学、苏州大学以及国家优青项目等的支持下,不断拓展变换光学在其他学科领域的应用,努力填平理论与应用之间的“鸿沟”。

变换光学问世后陈焕阳首先考虑的就是其在水声、弹性波等声学领域的应用。突破二维变换声学理论,他提出了三维变换声学,并提出了三维隐声材料的可行性及其相关参数。最近,他提出的三维的声场会聚器件具有完美的会聚和隐身功能。陈焕阳在变换声学和声学超构材料方面作出的贡献得到学术界的广泛引用和认可。

自然界中存在各种弯曲空间如黑洞的周围等,光在这些弯曲空间附近的行为如果能够在实验室进行模拟将为天文学提供一种崭新的手段。变换光学的原理类似于广义相对论的等效原理,人们通过这个原理把预先设计好的弯曲空间等效成具有特定分布的材料,进而通过超构材料予以实现。陈焕阳利用变换光学获得电磁器件,可以严格模拟 Schwarzschild 黑洞光球附近的光学行为。

由于表面水波和二维 Maxwell 方程组有一一对应的关系,通过对系统水深的精确控制,可以获得类似的折射率分布,进而对表面水波或海浪幅度进行严格控制,通过造浪或消除营造避风港。最近,陈焕阳和合作者设计并实现了两个大尺寸的海浪器件,一个是海浪能量会聚器件,一个是海浪的隐身器件,有望在近海范围的海浪防护以及发电等给出新的思路。

瞄准变换光学新高度

陈焕阳2006年“步入”变换光学,出于对变换光学的喜爱,12年来始终坚持在这一领域。在变换光学的新理论方面,他探索把各类测地线透镜和保角变换有机结合,这将有望提出一系列新的电磁器件和设计无需引进金属的全反射器件。在变换光学新的实验方面,他和合作者将聚焦各向异性以及弯曲空间在可见光波段的实现,这是一个非常重要的研究方向。

陈焕阳说,变换光学的实现需要超构材料的支撑。超构材料是通过人工功能基元的设计和空间序构的排列来构筑新材料,它展现出许多新奇的、超常的物理特性,基于这种材料研究新“范式”将对未来的工程技术和基础研究产生革命性的影响。变换光学是从物理的角度去探究新现象、新理论,超构材料是一种人工行为,两者是相互支撑,变换光学“点燃”了超构材料,一切与力、热、光、声、电、磁等相关的领域都将成为变换光学和超构材料的“主战场”。

陈焕阳认为,变换光学的特色是交叉,是去满足其它领域的技术需求,实验是验证理论、填补鸿沟的最有效途径,但要有所为,有所不为,要以需求为导向。陈焕阳正在寻求更多的合作机会来推动学科发展。他相信变换光学和超构材料将持续吸引来自物理、信息工程、材料科学以及化学等领域的科学家的关注,并为不同学科的交叉提供广阔的舞台。

 
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