负折射率和光学隐形装置

负折射率和光学隐形装置NegativeRefractionIndex&OpticalInvisibilityDevice海洋地球科学学院高凯信息科学与工程学院李博李钦孟读过哈利·波特的人肯定对哈利那件隐形衣印象很深刻。哈利披上隐形衣，就可以神奇般的在众目睽睽下消失的无影无踪！《末日危机》中邦德开的那辆可以隐身的车也是神奇无比。可是他们的隐身装置真的那么神奇吗？真的可以像电影里说的那样轻而易举的隐形吗？但是我们是不是可以有这样的设想，倘若光是“流过”这个物体（也就是光在物体周围光滑的弯曲），我们看到的是这个物体的背景(background)，那么这个物体就隐形了。可是这样的“弯曲”是不是容易实现？2019年4月2日的ScienceDaily网站上，刊登了这样一则消息，EngineersCreate‘OpticalCloaking’DesignForInvisibility，工程师们制造出了可以实现光学隐形的遮蔽装置。完成这项工作的是美国Purdue大学的VladimirShalaev和他的科研小组。VladimirShalaev等人进行了一组二维的光学隐形实验。上图显示的是683.2纳米的红光通过一个二维的光学隐形装置的传播情况。控制隐形材质的相关变量（主要是介电常数和磁导率），VladimirShalaev等人使光线光滑的绕过了障碍物，也就是，使被遮蔽物隐形了。黑色的平行线代表光线被遮蔽物隐形材质真空隐形材料在正式讨论光学隐形装置之前，我们似乎有必要介绍一下负折射率（negativerefractionindex）和左手性材料（left-handedmetamaterial）。因为光学隐形装置的研制即以此为基础。事实上，VladimirShalaev等人的研究与此密不可分。早在1968年，当时苏联的科学家V.G.Veselago提出了左手旋(LeftHanded)的概念。他探讨了可能存在的左手物质(LeftHandedMaterials)的一些物理性质。我们通常所提到的右手旋物质(RightHandedMaterials)，其能流方向和相位方向的夹角小于90度，但对于左手旋物质，夹角则大于90度。左手旋物质的一个直接特性就是负折射率（NegativeFractionIndex）。用数学来描述就是，左手旋物质的介电常数（Permittivity）ε和磁导率（Permeability）μ均小于零。根据经典电动力学，介质的折射率，所以左手旋物质的折射率为负数。nμε负折射现象是负折射率介质的传播性质之一。此时，光线的方向已经不满足Snell定律，但是大小仍然满足。反常成像透镜也是左手性材料十分有趣的特点，这与通常的光学介质是完全相反的。利用它的这种性质，可以制造出分辨率超高的扁平光学透镜。很遗憾的是，由于不存在天然的左手性物质，所以在Veselago提出左手性物质概念之后很长时间里，人们并未对其抱有很大的兴趣。直到上个世纪末的2019-2019年，伦敦帝国理工学院的Pendry等人相继提出了用周期性排列的金属条和开口金属谐振环(Split-RingResonator，SSR)可以在微波波段产生负等效介电常数和负等效磁导率。ProfessorJohnPendrySRR,环形金属线圈，用来产生值为负的μShortWires，短金属线，用来产生值为负的εYXZ实际上，SRR是一个LCR电路周期性排布的短金属线Pendry等人的负折射率材质模型Split-RingResonator，SSRAnegativeindexmetamaterialformedbySRRsandwiresdepositedonoppositesideslithographicallyonstandardcircuitboard.Theheightofthestructureis1cm.这就是这种负折射率材质的立体模型Pendry和D.R.Smith在他们的论文中指出，如左图所示，电磁波在负折射率介质（a）中发生的折射的确与正常介质（b）中的不同。ab在负折射率介质透镜中，电磁波也发生了与在通常介质中完全相反的折射现象。但是Pendry等人的模型存在着很大的局限，光波的频率范围是4.5×10Hz～7.3×10Hz，而Pendry&Smith模型的有效范围是GHz频段，也就是10Hz。这种材料还不能真正使可见光波发生负折射现象。14149随着研究的深入以及现代显微和纳米技术的发展，各种负折射率材料相继被开发出来。2019年，Moser等人用金(Au)制造出了1-2.5THz和51THz波段的材料随后不久，S.Linden和他的同事研制出了780nm的材料。Linden的材料，已经可以使可见光发生负折射现象。能见度在780nm处出现极值，急剧减小。反射系数也出现极值。表明光在此发生了负折射。C.Enkrich和M.Wegener等人在随后得到了1.5μm的材料正如前所述，可见光波段的负折射率材料的研制离不开显微和纳米技术。VladimirShalaev等人用平行的纳米级金（Au）短线制作出了n=-0.3的材料。根据负折射率材料的折射特性，VladimirShalaev的小组指出，合理排布的材料可以使光线绕过一定形状内的物体而使物体隐形。被遮蔽物位于半径为a的圆柱形空间内，而它的外围则是负折射率材料。VladimirShalaev等人得到了预期的结果。cloakobject在负折射率材料的折射作用下，632.8nm的可见光波绕过了物体，而相对应的，置于真空中的物体周围的光线则没有。但是，VladimirShalaev同时指出，他们的实验目前还仅限于二维的情形，还没有实现三维物体的隐形。而且，他们仅仅实现了单色光（实验中用的是632.8nm的红光）的负折射，还无法同时实现整个可见光光谱的负折射。但他同时表示，实现混合色光的隐形装置只是个时间问题，而且，在不久的将来，就可以使足够大尺寸的物体隐形。负折射率材料以及隐形装置的研制成功，不仅给促进了纳米、光学等向光学科的发展，而且给人们提出了更多的课题。有人将Pendry的负折射材料思想与Dirac的正电子的思想相提并论，这恐怕不为过，因为负折射率材料使我们洞见了光学等学科的传统课题之外的巨大的空间。我们可以预见负折射材料和隐形装置的广泛用途。最大的用处显然体现在军事上（虽然我们不支持战争），这意味着我们可以将士兵、装甲车，甚至一艘巨大的战舰隐藏的无影无踪。当然在民用设施上也会有着可预见的巨大功用，例如在电信传输和成像技术方面。参考文献：1.StevenA.Cummer,Bogdan-IoanPopa,DavidSchurig,DavidR.Smith,JohnPendry:Full-wavesimulationsofelectromagneticcloakingstructures[J]2.叶真：关于左手物质和负折射率3.沈江汉：左手材料及负折射率的研究进展4.JohnB.PendryandDavidR.Smith:ReversingLight:NegativeRefraction5.A.D.Boardman,N.King:NegativeRefraction:Re-writingPhysicsWithMetamaterials6.H.O.Moser,B.D.F.Casse,O.Wilhelmi,B.T.Saw:ElectromagneticmetamaterialsoverthewholeTHzrange7.G.Dolling,M.Wegener,C.M.SoukoulisS.Linden:Negative-indexmetamaterialat780nmwavelength8.C.Enkrich,M.Wegener,S.Linden,S.Burger,L.Zschiedrich,F.Schmidt,J.F.Zhou,Th.Koschny,andC.M.Soukoulis:MagneticMetamaterialsatTelecommunicationandVisibleFrequencies9.WenshanCai,UdayK.Chettiar,AlexanderV.KildishevandVladimirM.Shalaev:OpticalCloakingwithNon-MagneticMetamaterials谢谢！