【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于变换材料弯曲波束的光学装置及实现方法，属于变换材料及光学信号处理。
技术介绍
1、光束传播方向的控制对于波的操控至关重要，广泛应用于集成光学，光通信，激光加工，激光雷达，生物医学等领域。
2、传统的波束引导采用具有特定空间结构的波导腔，但这种方法存在显著缺陷。波导腔具有截止频率，低于该频率时电磁波的传播受到抑制。并且波导腔的波束弯曲对于需要大曲率的应用而言弯曲度不足。此外，其生产成本高且复杂度大，需要高精度制造技术。
3、另一种弯曲波束的方法是使用渐变折射率(gradient refractive index，grin)介质，将入射波束的波阵面旋转，使得出射波束的传播方向得以改变，克服了波导腔的缺陷，通常称为波束弯曲器。常用的设计grin波束弯曲器的方法是变换光学(transformationoptics，to)，但这些波束弯曲器大多是非均匀和各向异性的，对制造和大带宽形成挑战。更重要的是，之前所有的波束弯曲器都只能使光束路径发生固定角度的弯曲，这对其灵活性产生一些限制，当系统需要不同的波束调整角度时，必须要更换装置。因而，使用同一个波束弯曲器实现多角度、大范围的波束转向具有重要意义。
4、变换光学是一种解决电磁场分布-电磁参数的反问题方法，根据maxwell方程的形式不变性，将求解波场对应的电磁参数问题转化为几何形状设计以及坐标变换参数的计算问题，由变换光学得到的材料称为变换材料。
5、传统eaton透镜是一种有着特殊折射率分布的圆形渐变折射率透镜，折射率从
技术实现思路
1、针对传统波束弯曲器无论入射角是多少，都只能使波束弯曲固定角度的问题，本专利技术的目的是提供一种基于变换材料弯曲波束的光学装置及实现方法，使光束传播路径随入射角度的不同发生改变，能够在不更换设备的情况下实现多角度、大范围的波束弯曲。根据预期的光场分布，利用变换光学对传统eaton透镜进行共形变换，基于变换介质的性质对光波进行轨迹的控制，再利用变换光学的方法确定所述光学装置的介质参数，引导光波按照预设的路径在所述光学装置中传播，达到预期的光场分布。
2、本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
3、本专利技术公开的基于变换材料弯曲波束的光学装置，包括输入面、基于变换材料弯曲波束的二维直边eaton透镜和输出面。
4、所述输入面为输入信号进入所述基于变换材料弯曲波束的二维直边eaton透镜的入射面，所述输入面为平面。所述输入面由半径为r、圆心为(0,0)的沿径向折射率渐变的传统eaton透镜的输入面通过共形变换得到，即传统eaton透镜的左半圆弧变为变换后二维直边eaton透镜的左边界；所述输入面在传统eaton透镜输入面的基础上进行共形变换，使传统eaton透镜的输入面形状发生改变，所述输入面上的点与共形变换前的传统eaton透镜输入面上的点为一一对应的关系，所述输入面折射率从中心点处向两边逐渐减小。
5、所述基于变换材料弯曲波束的二维直边eaton透镜与传统eaton透镜相比，形状由圆形变为矩形，通过变换光学方法，改变传统eaton透镜沿径向的渐变折射率分布，使共形变换后的二维直边eaton透镜的折射率分别关于x＝0、y＝0这两条线呈现轴对称分布，中心点处折射率为无穷大，截取共形变换后透镜的中间部分作为二维直边eaton透镜的透镜体，截取部分的大小需要根据转向角度范围和节省材料的原则选择，并将大于预设折射率值的折射率填充为该预设折射率值。折射率分布决定光在透镜中的传播路径，所述基于变换材料弯曲波束的二维直边eaton透镜在满足折射率分布的情况下，形状不受所述二维直边eaton透镜形状的限制。所述二维直边eaton透镜在一束平行光以与x轴正轴呈θ角度入射到输入面时，根据光线转向角度是否超过180°将光线出射分为两种情况，一种是光线转向角度在180°以内的转向，此时，光线入射面与光线出射面是相对的两个面，光线在二维直边eaton透镜输出面呈θ角度出射，出射方向与入射方向关于x轴对称，实现光束转向，转向角度为2θ；另一种是光线转向角超过180°的转向，光线入射面与光线出射面为同一个面，光线在二维直边eaton透镜输出面呈θ角度出射，出射方向与入射方向关于x轴对称，实现光束转向，转向角度为π+2θ。
6、所述预设折射率值根据二维直边eaton透镜的折射率分布及光线轨迹选择，并考虑制造难度，预设折射率值越大越难制造；预设折射率值越小，需要截取折射率的范围会变大，对光线轨迹的影响越大。
7、所述输出面在光束发生180°以内转向时指传统eaton透镜的右半圆弧变成的二维直边eaton透镜的右边界，输出信号与输入信号相比，光束传播方向发生改变。
8、光学装置通过共形变换，变换后的二维直边eaton透镜与变换前的传统eaton透镜保持一一对应的关系，根据预期的光场分布，利用变换光学对传统eaton透镜进行共形变换，基于变换介质的性质对光波进行轨迹的控制，引导光波按照预设的路径在所述光学装置中传播，达到预期的光场分布。所述一一对应关系指变换前传统eaton透镜上的点对应变换后二维直边eaton透镜上的点，变换前传统eaton透镜的折射率对应变换后二维直边eaton透镜的折射率，变换前传统eaton透镜形状为圆形，变换后二维直边eaton透镜形状为矩形。
9、本专利技术公开的一种基于变换材料弯曲波束的光学装置的实现方法，包括如下步骤：
10、步骤1：对传统eaton透镜进行共形变换w＝tan(z)，得到无限大二维直边eaton透镜，通过变换光学的方法，确定变换后新的透镜的介电常数和磁导率，得到变换后的折射率；
11、传统eaton透镜对应原始复平面w＝u+iv，为虚拟空间，其中，u为原始复平面w的实部，v为原始复平面w的虚部；
12、二维直边eaton透镜对应变换后的复平面z＝x+iy，为物理空间，其中，x为变换后的复平面z的实部，y为变换后的复平面z的虚部；
13、原始复平面w共形变换为变换后的复平面z时，根据麦克斯韦方程的坐标不变性，物理空间(x,y,z)和虚拟空间(u,v,w)之间的关系如式(1)所示：
14、
15、其中，ε以及μ分别为虚拟空间w的介电常数以及磁导率，ε′以及μ′分别为物理空间z的介电常数以及磁导率，deta为矩阵a的行列式，a为雅可比矩阵，如式(2)所示：
16、
17、虚拟空间w和物理空间z之间的空间变换关系如式(3)所示：
18、
19、其中，表示偏微分；
20、根据费马定理，物理空间z的光学路径与虚拟空间w的光学路径的关系如式(4)所示：
21、
22、根据式(4)得到，
23、其中，d·表示微分，nw为虚拟空间本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于变换材料弯曲波束的光学装置，其特征在于：包括输入面、基于变换材料弯曲波束的二维直边Eaton透镜和输出面；
2.如权利要求1所述的基于变换材料弯曲波束的光学装置，其特征在于：所述二维直边Eaton透镜在一束平行光以与x轴正轴呈θ角度入射到输入面时，根据光线转向角度是否超过180°将光线出射分为两种情况，一种是光线转向角度在180°以内的转向，此时，光线入射面与光线出射面是相对的两个面，光线在二维直边Eaton透镜输出面呈θ角度出射，出射方向与入射方向关于x轴对称，实现光束转向，转向角度为2θ；另一种是光线转向角超过180°的转向，光线入射面与光线出射面为同一个面，光线在二维直边Eaton透镜输出面呈θ角度出射，出射方向与入射方向关于x轴对称，实现光束转向，转向角度为π+2θ。所述装置能够简单地安排入射角来控制波束路径的不同方向，引导波束路径达到各种非常宽的弯曲角度，在单个设备内实现可变角度转向。
3.如权利要求2所述的基于变换材料弯曲波束的光学装置，其特征在于：所述预设折射率值根据二维直边Eaton透镜的折射率分布及光线轨迹选择，并考虑制造难度，预
4.如权利要求3所述的基于变换材料弯曲波束的光学装置，其特征在于：所述预设折射率值选为14.1。
5.一种基于变换材料弯曲波束的光学装置的实现方法，基于如权利要求1、2、3或4所述的基于变换材料弯曲波束的光学装置实现，其特征在于：包括如下步骤，
...【技术特征摘要】
1.基于变换材料弯曲波束的光学装置，其特征在于：包括输入面、基于变换材料弯曲波束的二维直边eaton透镜和输出面；
2.如权利要求1所述的基于变换材料弯曲波束的光学装置，其特征在于：所述二维直边eaton透镜在一束平行光以与x轴正轴呈θ角度入射到输入面时，根据光线转向角度是否超过180°将光线出射分为两种情况，一种是光线转向角度在180°以内的转向，此时，光线入射面与光线出射面是相对的两个面，光线在二维直边eaton透镜输出面呈θ角度出射，出射方向与入射方向关于x轴对称，实现光束转向，转向角度为2θ；另一种是光线转向角超过180°的转向，光线入射面与光线出射面为同一个面，光线在二维直边eaton透镜输出面呈θ角度出射，出射方向与入射方向关于x轴对称，实现光束...
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