(Phys.org)—Forskare har designat en optisk lins som uppvisar två egenskaper som hittills inte har visats tillsammans:självfokusering och en optisk effekt som kallas Talbot-effekten som skapar upprepade ljusmönster. Forskarna visade att kombinationen av dessa två egenskaper kan användas för att överföra en kodad digital signal utan informationsförlust, som har potentiella tillämpningar för att realisera högeffektiva optiska kommunikationssystem.

Forskarna, Xiangyang Wang och Hui Liu vid Nanjing University, Huanyang Chen vid Xiamen University, tillsammans med deras medförfattare, har publicerat en artikel om den nya linsen, kallas en "konform lins, " i ett färskt nummer av Fysiska granskningsbrev .

Denna typ av konform lins, som också är känd som en Mikaelisk lins, uppstod från området för transformationsoptik, som bygger på idén att linser kan rikta ljus i analogi med hur rumtidens krökta geometri böjer ljus i allmän relativitetsteori.

Huvudmålet med studien var att designa en konform lins som fungerar samtidigt i två olika regimer:geometrioptikregimen, där ljus behandlas som en partikel, och vågoptikregimen, vilket också står för ljusets vågliknande egenskaper.

Att arbeta i båda regimerna är utmanande eftersom de två regimerna har två till synes motsatta krav på storleken på arbetsvåglängderna. Å ena sidan, arbetsvåglängderna måste vara mycket mindre än linsens storlek, men samtidigt måste de vara större än de grundläggande enheterna som utgör linsen.

För att möta denna utmaning, forskarna började med en Maxwells fisheye-lins, som går tillbaka till 1850-talet, som grund för den konforma linsen. De förklarade att det är mycket utmanande att försöka realisera en lins med de önskade egenskaperna med hjälp av konventionell transformationsoptik, delvis på grund av dess krav på ett tredimensionellt medium. Å andra sidan, konform transformationsoptik ställer krav på ett tvådimensionellt medium, vilket underlättar tillverkningskraven.

"Även om transformationsoptik kan användas för att designa många nya optiska enheter, det är vanligtvis mycket svårt att använda i praktiska system, särskilt i den synliga regimen, " berättade Liu Phys.org . "I vårt arbete, vi har etablerat en genomförbar experimentplattform för att erhålla optiska enheter för konformationstransformation."

Efter att ha konstruerat den konforma linsen, forskarna visade att linsen uppvisar både självfokusering, som är en egenskap hos geometrisk optik, och Talbot-effekten, som är en egenskap hos vågoptik. På det här sättet, enheten förbinder de två distinkta områdena geometrioptik och vågoptik.

Mest intressant för potentiella tillämpningar är att den konforma Talbot-effekten som visas här skiljer sig mycket från den vanliga Talbot-effekten i andra medier på grund av den extra självfokuserande egenskapen. En av de största skillnaderna är att till skillnad från den vanliga Talbot-effekten som upplever gränsdiffraktion, den konforma Talbot-effekten gör det inte.

Som ett resultat av dess brist på diffraktion, den konforma Talbot-effekten kan användas för att överföra kodade optiska mönster över långa avstånd med en mycket liten mängd distorsion. Forskarna förväntar sig att denna förmåga kan leda till en mycket effektiv metod för att överföra digital information i framtida höghastighets optiska kommunikationssystem utan informationsförlust.

"Vi kan skicka en ström av optiska siffror '0' och '1' genom parallell kommunikation, vilket är mycket snabbare än den seriella kommunikationen som används i vanliga optiska vågledare eller optiska fibrer, "Liu sa. "Den konforma Talbot-effekten kan hjälpa till att minska överföringsfel på grund av dess icke-diffraktiva egenskaper och goda självfokusering av fältmönstren."

I framtiden, forskarna planerar att utforska olika potentiella tillämpningar av konform transformationsoptik, som att designa nya integrerade fotoniska chip som kan transportera och bearbeta information i mikrooptiska kretsar. Dessa "konforma fotoniska chips" kan en dag komma att användas i framtida kvantdatorer.

"Vi hoppas att konform transformationsoptik kan användas i kvantsimulatorer och kvantdatorer i framtiden, ", sa Chen. "Vi planerar också att efterlikna kvanteffekterna i det krökta rummet av allmän relativitet med hjälp av konform transformationsoptik, som ett svart håls horisont och Hawking-strålning."

© 2017 Phys.org