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超透镜或将使可见光隐身成为现实

2018-02-05

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福布斯网站2018年1月4号刊登一篇文章,介绍了超材料隐身的一些发展,认为最近由哈佛大学研究的一种名为“宽带消色差超透镜”(broadband achromatic metalens)的突破性超材料具有实现可见光隐身的应用前景。哈佛大学John A.Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的这项研究得到了美国空军科学研究办公室的部分经费支持,相关研究论文发表在日前出版的《自然-纳米技术》杂志上。

“宽带消色差超透镜”是世界上首个几乎覆盖整个可见光光谱(470纳米~670纳米)的单体超透镜。这种扁平超透镜通过应用钛基纳米鳍阵列根据入射光的波长引导光穿过透镜的不同部分,使光实现精确弯曲,可将整个可见光谱,包括白光(所有光谱颜色的组合)聚焦于同一点并消除色差。


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新技术可将整个可见光谱聚焦于同一点上

聚焦整个可见光谱和白光至同一点非常具有挑战性,因为每个波长都以不同的速度穿过材料。例如,红色波会比蓝色波更快地通过透镜,所以两种颜色将在不同的时间到达相同的位置,导致不同的焦点,产生被称为色差的图像失真。照相机和光学仪器堆叠使用不同厚度和材料的多个曲面透镜来校正色差,造成体积的增大。相比传统镜头,这种扁平超透镜较薄,易于制造,成本效益更高。

“宽带消色差超透镜”通过优化二氧化钛纳米鳍阵列的形状、宽度、距离和高度来控制不同波长的光穿过透镜的速度。在最新的设计中,研究人员使用成对纳米鳍,控制超透镜的折射率,调整不同波长的光穿过不同鳍片的时间延迟,从而确保所有波长的光同时到达焦点。


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白光穿过棱镜显示了不同波长的光会以不同的速度穿过介质

在一般情况下,当人们使用任何波长的光照射任何材料物体时,光要么被吸收要么被散射。如果光被吸收,那么物体的背景会被遮挡,警示物体的存在(即该物体不是透明的)。如果光被散射,人们就可以直接看到它。现有的隐身技术是通过最大限度地减小物体对入射电磁波的散射截面进行隐身,但要实现完全隐身,则需将物体四面八方的入射波转移开,使人们从任何方向都只能看到物体的背景,就像物体根本不在那里一样。也就是说,超材料不再是反射或吸收波,而是改变波的传播路径,使波发生弯曲,通过绕射传播实现隐身。


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使光发生弯曲并聚焦在一个点上,是实现隐身的关键

变换光学(transformation optics)是一种人工变换电磁场的新兴理论。传统光学研究折射率的变化如何影响光的传播路径。变换光学则通过设计各种材料的属性来实现特定光路。为了使用“隐身斗篷”(cloak)隐藏物体,人们可以设计特定光路来引导光,然后使用变换光学设计形成此光路所需的超材料。即人们可以根据需要创建一个可变换的电磁场,如果磁场结构设计得当,并对入射光的弯曲进行控制,磁场内物体可以在特定波长下隐身。

大约10年前,首个二维隐身斗篷问世,从某个特定角度看,物体实现了隐身。2016年,研究人员开发出一种7层超材料隐身斗篷,其隐身波长从红外一直延伸到光谱的无线部分。


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从某个特定角度看,二维隐身斗篷能让物体实现隐身

虽然超透镜的直接应用是照相机、VR(虚拟现实)设备、显微镜和其他医学和人类增强装置,但超透镜/纳米鳍概念与超材料、变换光学的进一步融合发展,或许能将物体周围来自任何角度和距离的入射光被弯曲,并显示物体背景,这意味着可见光隐身、三维隐身斗篷或将成为现实。


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随着变换光学等技术的发展,三维隐身斗篷或将最终成为现实


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