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黑洞是存在于宇宙空間中的一類大質量天體，因引力極大，所有進入其視界內的光和粒子都無法逃逸。受黑洞能夠吸收視界內物質這一特性啟發，研究人員一直希望能夠設計一些“人工黑洞”結構，以實現能量收集的最大化。近日，來自廈門大學的陳煥陽教授和陳錦輝副教授研究團隊，利用變換光學原理構造了一類可以完全抑制輻射損耗的光學黑洞微腔，相關成果以《保角光學黑洞微腔》為題發表在《光：快訊》（eLight)上。
自黑洞被預測以來，科學家們一直在探索如何在地球上模擬黑洞，隨著超材料的發展，這一大膽設想正在逐步實現。陳煥陽介紹，理論上，通過調節超材料的等效電磁參數可以使光波產生如拐彎或被完全吸收的現象，從而模擬出黑洞、宇宙弦和愛因斯坦環等引力效應，這種設計可以對光波進行自由調控，產生如拐彎或被完全吸收的現象，類似于時空的彎曲。
回音壁光學微腔是集成光學基本元件，如同聲波能沿著天壇的回音壁傳播很遠距離一樣，光子也會在微腔表面沿著環形邊界傳播。不過長期以來，這類回音壁光學微腔固有的輻射損耗問題一直困擾著研究人員，特別是當微腔尺寸接近于光波長時，輻射損耗將顯著增加。受人工黑洞研究的啟發，研究團隊利用變換光學原理成功解決了回音壁微腔輻射損耗這一技術難點（如圖1）。
圖1：光學黑洞微腔藝術效果圖。廈門大學供圖
用折射率的空間變化與彎曲時空的等價實現對電磁波任意調控的方法，被稱為變換光學。基于麥克斯韋方程組在坐標變換下具有形式不變的特性，在該研究中，研究人員通過對物理空間中的光進行保角變換操作，即在坐標函數變換過程中保持曲線夾角不變，構造了一類圓對稱的光學黑洞微腔（如圖2）。
圖2：保角光學黑洞微腔設計原理圖。廈門大學供圖
陳錦輝介紹，區別于傳統均勻折射率的回音壁微腔，基于變換光學原理設計的微腔在包層具有獨特的梯度折射率分布，構造出一個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斷的光學黑洞微腔器件，并進行了微波實驗測量，證實了該設計方案的有效性。
圖3：光學黑洞微腔器件設計與微波實驗測量結果。廈門大學供圖
“根據這一設計思路，此類圓對稱光學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，基于變換光學原理設計光學微腔的策略不僅為調控微腔表面光場提供了一種新的思路，還可以推廣到其他波系統的共振模式，例如，聲波和彈性波，并有望在能量收集和片上集成光子器件設計領域得到應用。
（記者 符曉波）