有效的控制光在成像、通讯、传感、癌症治疗等应用领域都具有至关重要的作用。变换光学的基本原理是通过有效地构建扭曲的电磁空间来控制光的传播。作为一个新兴的研究领域，变换光学已对控制光的理解和认识产生了革命性的影响。这个创新性的设计方法不仅重温了光与物质交互作用的基本物理，更使得设计一些具有奇异功能的器件成为可能，例如科幻故事中的隐形斗篷。与传统的光线光学相比，全新的变换光学方法不仅同样直观，而且引入了电/磁场线的概念，从而更准确地描述光的波动特性。因此，该方法不仅适用于宏观问题，更可以用来解决亚波长领域的问题。在2013年第12期SCIENCE CHINA Information Sciences自然科学基金进展专栏 “Metamaterials”专题上，英国帝国理工的罗宇等人阐述了如何用变换光学的技术来解决亚波长尺度金属纳米结构中的问题，并回顾了变换光学应用于纳米光子学的最新进展。

众所周知，具有尖锐棱角的金属纳米结构可以有效地将光捕捉到纳米尺度的空间中，从而极大地增强局域电场。该效应可被应用于单分子检测、高阶谐波的产生，以及改善太阳能器件的吸光性能。然而，该领域的进一步发展亟需完善的理论或者模拟的指导，但这并非易事。首先，金属结构的尖锐棱角的尺寸远小于结构的总体尺度，这使得数值仿真中划分网格变得非常困难。第二，金属-介质分界面两边介电常数的极大差异使得数值仿真难以收敛。罗宇等通过变换光学的理论用解析的途径完美地解决了该问题。该方法的基本原理是：通过一定的变换函数，首先将想要研究的不具有对称性或者对称性较低的复杂结构变换成一个高度对称的标准结构。随后即可用传统的理论来研究该标准结构，从而反推出复杂结构的光学性质。例如，一对表面相切的纳米金属柱结构即可变换成两个相间的金属半平面，而金属楔形结构则可通过一定的变换函数与周期分布的金属板结构相关联。其他一些典型的结构，例如一对金属球、不对称的壳-核结构、粗糙金属表面等等都可以用类似的方法来研究。而对于某已知的应用，可以根据所需的性能来反推并设计出可实现的金属结构。

变换光学的原理不仅仅局限于研究理想的结构。实际上，我们还可以利用其来考虑一些纳米器件实现中的实际因素，例如金属结构尖锐棱角的钝化如何影响其局部场增强及谐振的性能。而这些对于实际因素的分析和考虑都给纳米金属器件的制备和实现提供了有效的理论指导。该文中还特别指出了宽带光吸收及长增强的基本条件，并回顾了对于变换纳米光学理论的实验验证。这些实验为生物传感和宽带太阳能方面的进一步应用提供了可能。所有这些对于变换光学的精确性及灵活性的验证必将吸引更多人投入到该研究领域中来。

来源论文：

LUO Yu, ZHAO RongKuo, FERNANDEZ-DOMINGUEZ Antonio I., MAIER Stefan A., PENDRY John B.. Harvesting light with transformation optics. SCIENCE CHINA Information Sciences, 2013, 56(12): 120401(13)

论文链接：http://info.scichina.com:8084/sciFe/EN/abstract/abstract512908.shtml

SCIENCE CHINA Information Sciences 2013年第12期自然科学基金进展专栏 “Metamaterials”专题：