浙江大學(xué)葉德信教授、陳紅勝教授和南洋理工大學(xué)Yu Luo教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊開展了全參數(shù)變換光學(xué)器件的實用化研究。研究團隊基于線性變換光學(xué)和全向匹配透明超材料的構(gòu)成理論，設(shè)計并實現(xiàn)了一種全參數(shù)全向隱形斗篷，能夠在自由空間中隱藏大型物體。

該研究成果以《全參數(shù)全向變換光學(xué)器件》為題發(fā)表在《國家科學(xué)評論》上，浙江大學(xué)Yuan Gao博士為第一作者，Yu Luo教授、陳紅勝教授和葉德信教授為通訊作者。

2006 年，英國倫敦帝國理工學(xué)院的 Pendry 教授提出了變換光學(xué)，描述了電磁波傳播路徑與材料構(gòu)成參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，為控制電磁波提供了一種通用而強大的方法。

近十年來，變換光學(xué)得到了飛速發(fā)展，人們通過變換光學(xué)設(shè)計出了各種新型光學(xué)設(shè)備，如隱形斗篷、電磁幻象設(shè)備和聚光器等。然而，變換光學(xué)介質(zhì)的構(gòu)成參數(shù)是各向異性的，而且通常不均勻或具有奇異值，因此難以實現(xiàn)。

例如，迄今為止通過實驗實現(xiàn)的全向隱形斗篷總是對材料參數(shù)進行了一些簡化。簡化設(shè)計犧牲了阻抗匹配，從而降低了變換光學(xué)設(shè)備的性能。

為了解決這些問題，研究小組設(shè)計了一種基于線性變換光學(xué)的二維全參數(shù)全向平面隱形斗篷，它只由兩種均質(zhì)材料組成。第一種材料的構(gòu)成參數(shù)是各向異性的，既有零值也有極值，沿光學(xué)方向傳播的電磁波具有無限相位速度。

在自由空間中設(shè)計理想的全向斗篷。（a）基于線性變換光學(xué)元件的隱身設(shè)計。（b）實際斗篷的示意圖。（c）模擬（I、II、III）和測量（IV、V、VI）隱身性能。

利用這種材料，電磁波可以繞過隱形區(qū)域，實現(xiàn)全向阻抗匹配和零相位延遲。第二種材料也具有各向異性的構(gòu)成參數(shù)，可在全向阻抗匹配的情況下實現(xiàn)相位補償，并且在光方向傳播的電磁波具有亞腔相位速度。

在實驗驗證中，研究人員采用了這兩種具有 TM 極化波全參數(shù)構(gòu)成參數(shù)的材料。

第一種材料是利用具有法布里-佩羅共振的亞波長金屬貼片陣列實現(xiàn)的，第二種材料則是利用傳統(tǒng)的 I 型電諧振器和分環(huán)諧振器組成的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。

最后，研究人員測量了由前兩種材料組成的全參數(shù)全向斗篷在不同角度的 TM 偏振波入射下周圍的磁場，結(jié)果表明其具有出色的隱形性能。

這項研究首次展示了自由空間中的全參數(shù)全向隱形斗篷，它可以在任意入射光照下隱藏大型物體。實現(xiàn)的隱身衣可立即用于抑制雷達通信和雙穩(wěn)態(tài)探測中目標的散射截面。

這項研究提出的方法還對其他全參數(shù)變換光學(xué)設(shè)備的實際應(yīng)用具有深遠影響。

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