浙大的光學隱身技術是怎麼回事?

時間 2021-05-29 22:56:36

1樓:後知後覺

其他回答也說了,本質上是麥克斯韋方程組座標變化下的不變性的應用,這在之前只認為是數學上的變換,而實際上在超材料出現後各種之前不存在的材料可以被製造出來,而他們工作的貢獻主要在於擴大到了光頻段,並非題主所說的小學生製造水平。

2樓:無知無智

變換光學,準保角變換。熱隱身,光學隱身,這其實很多學校光學方向都有在研究。總得來說就是座標變換了,但是麥克斯韋方程前後不變,光被大角度偏折,入射進物體就如平面鏡反射一樣回來,不經過物體散射就看不見物體了。

其實這些大多還是停留在實驗室吧,一些特定波段下。

3樓:

(內有大量乾貨)我來說一下。首先這篇文章不是水貨。這篇文章出發點是變換光學。

普及一下變換光學。變換光學是基於麥克斯韋方程的空間變換前後的不變性。也就是說電磁波還是按照原來的路線走,它不知道空間變了沒有。

我們把變換前後的空間分別叫做虛擬空間和物理空間(實際空間),比如chen做的這個正六邊形隱身衣,虛擬空間是真空的正六邊形(圖1(a)),物理空間是隱身衣和中間的那塊區域(圖1(b)),中間那塊區域實際上是從由虛擬空間的乙個點變過來的,隱身衣就是從虛擬空間裡的正六邊形變過來的,隱身衣外面的空間不變。可以看到虛擬空間和物理空間每個區域都是一一對應的。現在給出來變換前後的空間的關係,接下來就是採用所謂的變換光學來確定變換後也就是實際的引數。

圖(1) 正六邊形隱身衣

圖(2)實際結構和效果

當然理論上是很優美和簡單的,但是實際上是很難實現的。這是由於引數存在的奇點(從乙個點到乙個面)。所以完美的隱身衣目前來說是沒有希望的。

所以現在做的隱身衣都是簡化的。這個結構也是簡化的,完美的正多邊形隱身衣需要兩種材料,由於另外一種材料是需要超光速的,所以現在來做很難做出來,況且是光波段。這個結構簡化成只用一種材料,方解石,一種雙折射晶體。

所以整個結構就是六片方解石。但是還不夠,還要把這種個結構放在一種油裡面(折射率是1.72),具體的原因是由方解石的折射率的決定的。

在這篇文章(ref.1 (2012))發出來之前,在2023年,其實已經有兩篇用類似的材料做的地毯式隱身衣,發表在nature communication(ref.2)和PRL(ref.

3)(搞物理的人知道這是什麼檔次),圖(3)就是zhang做的。解釋一下地毯式隱身衣,就是把乙個隱身衣罩在一面鏡子上,然後物體就可以參在隱身衣下面,外面的人只能看到一面鏡子,不能看到隱身衣裡面的東西。這個結構比chen的更加簡單,就是由兩片對稱的雙折射晶體構成。

這個成果被physics world評為2023年十大科技進展。為什麼呢,這麼簡單的結構,小學生都可以做。這是因為隱身衣做到光頻段是很難的,通常要採用奈米技術,所以早幾年之前做的光學隱身衣都是大實驗室做的,另外整個隱身衣通常只有幾個波長,可以想想,就幾百奈米的幾倍,最多幾微公尺。

zhang的這個呢關鍵是採用了自然材料,做到了幾十個公釐,或者說幾千個波長,又非常好製備,所以有很突出的貢獻。關注TED的可能會知道,去年zhang就去主講過,展示的就是他的地毯式隱身衣。

圖(3)地毯式隱身衣

有人說別人搞的隱身衣都是用超材料的呀,你這個不用,是不是不夠高階。這個是不對的,隱身衣不是說越搞越複雜,要有實際效果才算好。微波段的隱身衣通常是用超材料做的,比較好製備,微波段隱身衣見圖(4)。

圖(4)微波段隱身衣

另外在去年,chen又發表了一篇nature communication(ref.4),見圖(5),這次的結構更加簡單,材料也更加普通,就採用的是玻璃,水,和空氣。(有人又說了,這麼簡單,小學生都會呀。

)我來講講背後的科學原理。為什麼不用雙折射晶體呀。因為人眼對光的相位和極化是不敏感的,所以這部分資訊其實可以刪去的。

刪去有什麼好處呢?如果採用光學變換製作的隱身衣一定不會是寬頻帶的,或者說只對一種顏色的光隱身。這是因為隱身衣中存在超光速現象,這就必然導致只對乙個頻率隱身(這裡涉及到材料的電磁特性,我就不細講了)。

為什麼要超光速呢,這是因為完美的隱身衣要保證相位一致。考慮正對隱身衣的那條光線,它先打到隱身衣的內邊界上,然後繞著內邊界到另一端。這束光肯定要比真空中的光走得快。

(對比圖(5)左右兩幅圖的黃色線)

圖(5)由於隱身衣右邊的黃色線更長,為了保證變換前後的光程一直,右邊的光必然要超過真空中得光速,

圖(5) 正六邊形光線隱身衣原理及實驗效果

現在呢,chen考慮到人眼的問題,去掉了這個相位一致的條件,所以呢大大簡化了設計,並且可以得到寬頻帶的隱身衣。這是這篇文章最大的貢獻吧。另外乙個貢獻就是採用的材料更加普通,更加易得。

而且被隱身的是超大的物體(相對於光的波長)。雖然只有在六個方向有效,可是仍然是可見光隱身器件的乙個進步吧。

隱身衣發展了這麼多年,該做的都做的差不多了,剩下的都是硬骨頭,想要突破也越來越難了。所以chen的這兩項工作是我覺得還是挺有價值的。

另外說說馬雲貴的工作,他們製作的是熱導隱身衣,見圖(6)(ref. 5)。熱導隱身衣比電磁隱身衣更加容易製作,簡單的說,這是因為熱導隱身衣只需要考慮乙個引數,即熱導率,而電磁隱身衣需要考慮兩個引數磁導率和介電常數。

從形式上來說,熱導隱身衣對應於靜磁隱身衣或者靜電隱身衣。馬的隱身衣是最早的幾個熱導隱身衣之一,所以能發不錯的期刊。不過他們的隱身衣還是太複雜了,由多層材料組成。

最近zhang等製作了只有兩種介質的三維熱導隱身衣,見圖(7)(ref. 6)。

圖(6) 馬製作的多層材料的二維熱導隱身衣。

圖(7)雙層材料的三維熱導隱身衣。

p.s. 如果對超材料感興趣可以點這裡:

地鐵內超高速 Wi-Fi 中的超材料到底是什麼,怎樣 「剪裁」電磁波?

Reference

1.Chen, H., & Zheng, B.

(2012). Broadband polygonal invisibility cloak for visible light. Scientific reports, 2.

2.Chen, X., Luo, Y.

, Zhang, J., Jiang, K., Pendry, J.

B., & Zhang, S. (2011).

Macroscopic invisibility cloaking of visible light. Nature Communications, 2, 176.

3.Zhang, B., Luo, Y.

, Liu, X., & Barbastathis, G. (2011).

Macroscopic invisibility cloak for visible light. Physical Review Letters, 106(3), 033901.

4. Chen, H., Zheng, B.

, Shen, L., Wang, H., Zhang, X.

, Zheludev, N. I., & Zhang, B.

(2013). Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherent natural light. Nature communications, 4.

5. Ma, Y., Lan, L.

, Jiang, W., Sun, F., & He, S.

(2013). A transient thermal cloak experimentally realized through a rescaled diffusion equation with anisotropic thermal diffusivity. NPG Asia Materials, 5(11), e73.

6. Xu, H., Shi, X.

, Gao, F., Sun, H., & Zhang, B.

(2014). Ultrathin Three-Dimensional Thermal Cloak. Physical review letters, 112(5), 054301.

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