Сопоставление однородного распределения показателя преломления в исходном прямолинейном пространстве (а) с круглой полостью OBH (б) с градиентным показателем. Центральная область полости OBH усечена по однородному показателю. Квадрупольный резонатор (с1) и арахисовый резонатор (с2) трансформируются из круглого резонатора OBH при различных структурных параметрах.
Авторы и права: Цинтао Ба, Янъян Чжоу, Цзюэ Ли, Вэнь Сяо, Лунфан Е, Инэн Лю, Цзинь-хуэй Чен и Хуаньян Чен

Полости режима шепчущей галереи (WGM) представляют собой интригующую платформу для интенсивного усиления взаимодействия света и материи. Он закладывает основы лазеров со сверхнизким порогом, сверхчувствительного зондирования, нелинейной оптики и квантовой фотоники. Обычный резонатор МШГ состоит из однородных материалов с постоянным показателем преломления как в сердцевине, так и в оболочке. Световое поле удерживается в резонаторе за счет полного внутреннего отражения (ПВО) и усиливается за счет конструктивной интерференции. Сверхвысокая добротность реализована в различных диэлектрических резонаторах МШГ с большим объемом моды (V) и угловым моментом.

Тем не менее собственные потери излучения в открытой граничной полости с конечной диэлектрической проницаемостью имеют место повсеместно из-за туннелирования света искривленной поверхностью от аналога квантовой механики. Эти потери на излучение заметно увеличиваются и становятся доминирующим механизмом потерь, когда резонансная длина волны сравнима с геометрическим размером полостей. Предпринимаются неустанные усилия по оптимизации Q/V в оптических резонаторах, что очень важно при изучении квантовой электродинамики резонатора (КЭД).

В новой статье, опубликованной в eLight, ученые под руководством профессора Хуаньян Чена и доктора Цзинь-хуэй Чена из Сямэньского университета исследовали полости WGM. В их статье под названием «Конформная оптическая черная дыра для резонатора» был предложен и продемонстрирован резонатор оптической черной дыры (OBH), основанный на трансформационной оптике.

Были предложены различные подходы для управления потерями излучения и улучшения добротности. Например, плазмонный резонатор был построен с использованием сильных локализаций оптического поля металлов. Однако собственные омические потери в плазмонной платформе неизбежны. В качестве альтернативы были реализованы радиально-анизотропные оболочки для сжатия большего количества энергии в сердцевине резонатора, что привело к более жесткому оптическому ограничению и значительно более высокому коэффициенту добротности. К сожалению, анизотропные параметры все еще сложно реализовать для природных материалов.

(а) Экспериментальная установка системы микроволнового сканирования ближнего поля. Врезка: фотография изготовленного образца.
(b) Расчетные распределения размеров апертур в многослойных структурах OBH.
(c) Сравнение смоделированной добротности в непрерывном и дискретном резонаторе OBH с различными номерами азимутальных мод.
(d) Экспериментальные нормированные резонансные спектры резонатора OBH и гомогенного резонатора с номером моды m=3 и m=4. Сплошные кривые — фитинги Лоренца. Измеренная картина поля WGM с номером моды (e₁) m=3 и (e₂) m=4. Моделированная картина поля WGM с номером моды (f₁) m = 3 и (f₂) m = 4. Белые кривые — это граница материала сердцевины и оболочки резонаторного устройства OBH.
Авторы и права: Цинтао Ба, Янъян Чжоу, Цзюэ Ли, Вэнь Сяо, Лунфан Е, Инэн Лю, Цзинь-хуэй Чен и Хуаньян Чен

Трансформационная оптика (ТО) предлагает широкие возможности для управления световыми лучами и электромагнитными полями с новыми функциями. Многие увлекательные оптические структуры, разработанные TO, позволяют отклонять и улавливать свет, чтобы имитировать космологические эффекты.

Исследовательская группа использовала теорию TO для построения класса полостей OBH. Выявлено, что поля МШГ за пределами ядра круглой полости OBH следуют нетрадиционному правилу затухания из конформного отображения. Используя модель эффективного потенциала, они доказали, что радиационные потери WGM в идеальном резонаторе OBH могут быть полностью подавлены; таким образом, добротность излучения бесконечна.

Команда также продемонстрировала увеличение добротности и плотное ограничение поля усеченной полости OBH. Это сравнивали с однородной полостью в микроволновом спектре. Круглый резонатор OBH применяется в дальнейшем для резонаторов произвольной формы, в том числе одноядерных и многоядерных конструкций с высокой добротностью.

Это исследование прокладывает путь к манипулированию поверхностным полем с помощью конформного преобразования. Его можно обобщить на резонансные режимы различных волновых систем, таких как акустические и упругие волны, и он находит применение в сборе энергии и оптоэлектронике.