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1、负折射率和光学隐形装置Negative Refraction Index & Optical Invisibility Device,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
2、样的“弯曲”是不是容易实现？,2019年4月2日的Science Daily 网站上，刊登了这样一则消息，Engineers Create Optical Cloaking Design For Invisibility，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Vladimir Shalaev 和他的科研小组。,Vladimir Shalaev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）， Vladimir Shalaev等人使光线光滑的绕过了障
3、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（negative refraction index）和左手性材料 （left-handed metamaterial）。因为光学隐形装置的研制即以此为基础。事实上， Vladimir Shalaev 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(Left Handed)的概念。他探讨了可能存在的左手物质(Left Handed Materials)的一些物理性质。我们通常所提到的右手旋物质(R
4、ight Handed Materials)，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（Negative Fraction Index）。,用数学来描述就是，左手旋物质的介电常数（Permittivity）和磁导率（Permeability）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。,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
5、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-Ring Resonator，SSR)可以在微波波段产生负等效介电常数和负等效磁导率。,Professor John Pendry,SRR,环形金属线圈，用来产生值为负的,Short Wires，短金属线，用来产生值为负的,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,Spl
6、it-Ring Resonator，SSR,A negative index metamaterial formed by SRRs and wires deposited on opposite sides lithographically on standard circuit board. The height of the structure is 1 cm.,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。,a,b,在负折射率介质透镜中，电磁波也发生了与在通常介质中
7、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4.510 Hz7.310 Hz，而Pendry & Smith模型的有效范围是GHz频段，也就是10 Hz。这种材料还不能真正使可见光波发生负折射现象。,14,14,9,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
8、光在此发生了负折射。,C. Enkrich和M. Wegener等人在随后得到了1.5m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。,Vladimir Shalaev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， Vladimir Shalaev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。,Vladimir Shalaev等人得到了预期的结果。,cloak,object,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
9、，而相对应的，置于真空中的物体周围的光线则没有。,但是，Vladimir Shalaev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
10、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. Steven A. Cummer, Bogdan-Ioan Popa, David Schurig, David R. Smith, John Pendry: Full-wave simulations of electromagnetic cloaking structuresJ2. 叶真：关于左手物质和负折射率3
11、. 沈江汉：左手材料及负折射率的研究进展4. John B. Pendry and David R. Smith: Reversing Light: Negative Refraction5. A.D. Boardman, N. King: Negative Refraction: Re-writing Physics With Metamaterials6. H.O. Moser, B.D.F. Casse, O. Wilhelmi, B.T. Saw: Electromagnetic metamaterials over the whole THz range7. G. Dolling,
12、M. Wegener, C.M. Soukoulis S. Linden: Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength8. C. Enkrich, M. Wegener, S. Linden, S. Burger, L. Zschiedrich, F. Schmidt, J. F. Zhou, Th. Koschny, and C.M. Soukoulis: Magnetic Metamaterials at Telecommunication and Visible Frequencies9. Wenshan Cai, Uday K. Chettiar, Alexander V. Kildishev and Vladimir M. Shalaev: Optical Cloaking with Non-Magnetic Metamaterials,谢谢！,
