Perspective：现实世界隐形的蓝图

Philip Ball 

让物体隐形从来就没有简单过。17世纪一个有关种植“隐形豆”的魔咒传言需要将该豆子和一个自杀男子的头颅一起埋葬。H.G. 威尔斯1897年写过一本著名小说《隐身人》，里面隐形的过程似乎更为科学，它涉及使用与X射线相关的神秘光线，而这些光线会改变透明物质的折射率以匹配空气的折射率。

威尔斯的路子走对了。隐形确实需要一些方法来消除物体表面的光散射，并确保折射效应不会扭曲光线离开时的路径。变换光学就是这种对光线能够实现精确控制并且沿着明确定义的路径传播而没有散射的方法[1, 2]。由变换光学得到的光学介质具有特殊的性质，这些性质与广义相对论中由质量引起的时空“塑性”扭曲情况类似。

理论上，用这种方法（变换光学）几乎任何事情都成为可能。通过对空间坐标进行合适的重新配置，变换光学已被证明可以使物体不仅不可见，而且还可以有不同的应用：如模仿其他物体[3]，或者通过扩大或缩小以便“隐藏”墙壁中的“门窗”（这在幻想作品经常被援用，例如哈利波特的书籍[4]），或者旋转物体[5].

然而，将这些想法付诸实践是另一回事。什么样的材料允许变换光学看起来如此随意地调节光线？十年前，当Smith, Pendry及其同事用一种所谓的超材料制作“隐形防护”的方案后，这个领域以十分壮观和引人注目的方式发展起来了[2]。超材料是指在空间的每个点以明确的方式控制电磁辐射的吸收和传输的结构，它几乎可以任意地塑造光线的路径。 对于隐形防护罩或者说是隐形装置，其概念是光线在中心腔周围被平滑地引导传播，然后返回其原始路径，理想情况下，当它撞击斗篷时具有最小的散射。

这些器件很快在微波频段用由印刷电路板上蚀刻的天线状结构制成的超材料“原子”并组织成二维阵列实现了[6]。然而在可见光波长范围内制造这样的组件更具挑战性。迄今为止在该频段中实现“不可见性”对材料的要求很苛刻，需要更大程度上的妥协，即利用现有的各向异性光学材料中对光线路径控制的近似调控，这样的代价是接受在器件接口处的一些反射和散射 [7, 8]。以这种方式，在几个入射方向，相当宽的频带上物体已经做到了“隐藏”。

制作隐性斗篷或实际上只是“不可见的“固体有很大挑战，会涉及变换光学所说的隐形多大可能性与使用真实材料参数可以实现目标之间的平衡。理论上的坐标变换的类型可以通过采用诸如有渐变折射率的透明材料来实现，这与长期用于光纤包层以减少其传输损耗的方式不同。

陈焕阳和同事[9, 10]描述了两种使物体“看不见”的方法，这些方法力求在现有可能的材料和现实之间取得平衡，同时实现名副其实的效果。他们描述了两种设计方案，通过使用可调控的材料参数，在很小的波长范围内实现几乎完美的隐形。

这两种方法体现了自变换光学早期以来就存在两种可供选择的方案。一个方案使用了光学共形映射的概念，它由Leonhardt首先引入[1]，其中定义光线路径的坐标可以从一个几何映射到另一个几何，例如，从平面映射到曲面，这种映射与地球表面在墨卡托投影中映射到平面上的方式不同。事实上，这种网格坐标的扭曲可以是由折射率梯度引起的，一个突出的例子是用平板材料制备聚焦透镜。这样的结构被称为Mikaelian透镜，其通常是聚焦沿着轴传播光线的圆柱体。徐林等人[11]以前用过这样的结构来设计一个器件，当使用可行的折射率（要求这些值不大于5.21）时，在二维所有入射方向均几乎完全不可见。现在徐林等人报告了该器件光学特性的完整分析和模拟，说明了其表现如预期一样[9].

第二种不可见性方法利用了“聚光器”，其中照射在外（圆形）表面上的光被引导到同心的内核，聚焦到更大的强度。在这里它建立了一种谐振模式，就像在标准法布里-珀罗腔中一样，来自边界的部分反射建立了驻波，在这种情况下波长比原始波长短。因为这些边界仅是部分反射镜，所以这种集中的辐射可以逃逸并且由“聚光器”外层返回到其原始模式，并继续如前所述方式传播。

场的集中发生是因为由设备中的特定的介电常数和磁导率选择所定义的坐标的映射。这导致外表面和内芯之间的圆柱形空间在重新配置的坐标空间内基本上没有相位积累：它充当一种光学空洞。结果，撞击在外表面上的所有辐射都出现在较小的核心内，并且所有离开核心的辐射再次出现在装置的表面上。

陈焕阳和同事之前也使用相对简单的材料参数做过这种设计[12]，但它显示有少量的散射。现在的改进显示了如何将此散射减少到最小值，甚至在一个实例的情况下减少到零。而在另一种设计中，材料的磁导率基本上是无关紧要的，因此可以使用纯介电材料来制备该器件。这里可以通过在材料中钻孔网格来设计制备折射率梯度材料。

第二个想法基本上是由Pendry为隐形斗篷提出的那种方案[2]。陈焕阳和同事在此提出的两个装置概括了在该领域新生阶段所提出的变换光学的两个实例。至关重要的是，两者都可以通过折射率的匹配消除其边界处几乎所有散射，实际上是阻抗匹配问题。此外，这两种方法都可以容忍小范围的波长，而由Pendry提出的基于具有各向异性和非均匀参数的超材料的原始设计仅在单个共振频率下工作。

能否可以像预期那样实际制备这些结构，仍有待观察。但这些设计方案表明，真正的隐形是可行的，并不像古老的故事里所暗示的那样有些神奇或虚幻，隐形不是幻想。

References

1.    U. Leonhardt, Optical conformal mapping, Science 312(5781), 1777 (2006)

2.    J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Controlling electromagnetic fields, Science 312(5781), 1780 (2006)

3.    Y. Lai, J. Ng, H. Chen, D. Han, J. Xiao, Z. Q. Zhang, and C. T. Chan, Illusion optics: The optical transformation of an object into another object, Phys. Rev. Lett. 102(25), 253902 (2009)

4.    X. Luo, T. Yang, Y. Gu, H. Chen, and H. Ma, Conceal an entrance by means of superscatterer, Appl. Phys. Lett. 94(22), 223513 (2009)

5.    H. Chen, B. Hou, S. Chen, X. Ao, W. Wen, and C. Chan, Design and experimental realization of a broadband transformation media field rotator at microwave frequencies, Phys. Rev. Lett. 102(18), 183903 (2009)

6.    D. Schurig, J. Mock, B. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. Starr, and D. Smith, Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies, Science 314(5801), 977 (2006)

7.    X. Chen, Y. Luo, J. Zhang, K. Jiang, J. B. Pendry, and S. Zhang, Macroscopic invisibility cloaking of visible light, Nat. Commun. 2(1), 176 (2011)

8.    B. Zhang, Y. Luo, X. Liu, and G. Barbastathis, Macroscopic invisibility cloak for visible light, Phys. Rev. Lett. 106(3), 033901 (2011)

9.    L. Xu, Z. Xiong, and H. Chen, Analysis of a conformal invisible device, Front. Phys. 13(2), 134203 (2018)

10.  M. Zhou, L. Xu, L. Zhang, J. Wu, Y. Li, and H. Chen, Perfect invisibility concentrator with simplified material parameters, Front. Phys. 13(5), 134101 (2018)

11.  L. Xu, H. Chen, T. Tyc, Y. Xie, and S. A. Cummer, Perfect conformal invisible device with feasible refractive indexes, Phys. Rev. B 93(4), 041406 (2016)

12.  M. M. Sadeghi, S. Li, L. Xu, B. Hou, and H. Chen, Transformation optics with Fabry-Pérot resonances, Sci. Rep. 5(1), 8680 (2015) 

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