加拿大國立科學研究院:新型光譜隱身技術讓隱身更接近現實!

2021-01-11 環球創新智慧

導讀

近日，加拿大國立科學研究院（INRS）的最新研究首次展示，當光波通過物體時，操控光波的頻率（顏色）來實現隱身鬥篷。這項研究不僅克服了現有隱身技術的缺點，而且可以應用於感知、通信、信息處理等多個領域。

背景

看過《哈利波特》系列電影的朋友，對於哈利波特的魔法道具：隱身鬥篷，都不會陌生。穿上隱身鬥篷之後，哈利波特可以瞬間從別人眼前消失。

或許你認為這僅僅是魔法和幻想，但是科學家們正努力將它變為現實。科學家們一直在尋找各種方法來操控光線與物體之間的相互作用，從而達到隱藏物體的目標。下面讓我們先來看兩個例子：

1）德國卡爾斯魯厄理工學院的研究人員使用新型漫射光散射介質製造隱身鬥篷。

下圖為漫射光散射介質中的光路圖，左邊的測試對象蒙了一層陰影，而使用新介質的右邊物體沒有陰影。

（圖片來源：卡爾斯魯厄理工學院）

2）美國伯克利實驗室的研究人員採用超穎材料研製了一款隱身鬥篷，這款隱身鬥篷可以改變可見光、紅外線以及X射線與要隱藏的目標物體之間的交互作用，使物體無法被觀看到。

（圖片來源：伯克利實驗室）

當你觀測物體時，實際上真正看到的是，物體改變了與其交互的光波能量。之前，大多數的隱身鬥篷方案都是改變光線傳播的路徑，使得光波在物體周圍傳播，而不是穿過物體。其他還有一些稱為「時間隱身」的方案，通過修改光波的傳播速度，使得物體在規定時間長度內穿越光束，從而實現隱身。

無論上述兩種方案中的哪一種，不同顏色的入射光波在穿過隱身設備時，必須沿著不同的路徑傳播，因此到達目的地所花費的時間不同。這種光波時間特性的改變，對於觀察者來說，就像某個東西看上去不像它應該呈現的樣子。

創新

為了解決上述問題，近日加拿大國立科學研究院（INRS）的最新研究首次展示，當光波通過物體時，操控光波的頻率（顏色）來實現隱身鬥篷。從根本上來說，這是一種克服了現有隱身技術缺點的全新方案。研究人員在美國光學會的高影響力雜誌《Optica》上演示了這一方案。

加拿大國立科學研究院的 Luis Romero Cortés 表示：「傳統的隱身方案依賴於改變光線的傳播路徑，使其在要隱藏的物體周圍傳播。這種方式下，不同顏色光線穿過鬥篷所採用的時間不同，從而帶來很容易被檢測到的失真，洩露鬥篷的存在。我們所提議的方案，讓光波穿越目標物體而不是在其周圍傳播，同時避免光波與物體產生任何相互作用，從而避免了這一問題。」

研究人員稱，該方案可用於保護光纖線路中傳輸的數據，也可以幫助提升感知、通信、信息處理技術。從理論上說，這個概念可以延伸至讓三維物體在所有方向上都不可見，這是開發實用的隱身鬥篷技術的重要一步。

技術

現有的大多數隱身設備，只有當物體被一種顏色的光線照射時，才可以完全隱藏感興趣的物體。然而，太陽光及其他大多數光源都是寬頻的，也就是說，它們包含許多種顏色。這種稱為「光譜隱身鬥篷」（spectral invisibility cloak）新型設備，可以完全隱藏寬頻光線照射下的任意物體。

（圖片來源：參考資料【2】）

光譜鬥篷可選擇性地將能量從特定顏色的光波轉移到其他顏色。在光波通過物體之後，設備可以恢復光線的原始狀態。

加拿大蒙特婁國立科學研究院的 José Azaa 表示：「我們的研究代表著實現隱身鬥篷這一目標過程中的重要突破。我們已經使得照明光波通過物體時不會產生可發覺的失真，從而讓真實寬頻光照條件下的目標物體完全不可見，就像物體和鬥篷不存在一樣。」

Azaa 及其團隊開發出一種重新設置寬頻光線中不同顏色的方法，使得光波穿過物體而實際上「不可見」。首先，隱身設備需要將顏色向著穿越物體時不會受到影響的頻譜區域轉移。例如，如果物體反射綠光，那麼光譜的綠色部分就會變為藍色，那麼就不會有綠光被反射出來。然後，一旦光波離開物體，隱身設備會逆向轉變，以其原始狀態重置光波。

（圖片來源：參考資料【2】）

團隊通過使濾光片隱身來演示他們的方案，濾光片可以吸收某些顏色的光線，而讓其他顏色的光線通過。他們通過短的雷射脈衝照射濾光片。

隱身設備由兩對兩個商用電光元件組成。第一個元件是一個色散光纖，它使得不同顏色的寬頻光波以不同的速度傳播。第二個元件是時間相位調製器 ，它根據光波何時穿過隱身設備，改變光線的光學頻率。一對這樣的元件放置在濾光片的前面，而另外一對放置在濾光片的後面。

（圖片來源：Luis Romero Cortés 和 José Azaa，INRS）

實驗證明，設備能夠將光波改變到濾光片吸收的頻率範圍內，然後當光波從另外一端離開濾光片時，完全地反轉這一過程，使得它看上去就像雷射脈衝穿透非吸收的介質。

價值

雖然在這種新型設計在轉變為哈利波特式的可穿戴隱身鬥篷之前，還需要進一步的開發，但是這種經過實驗論證的光譜隱身設備可用於實現一系列的安全目標。例如，目前的電信系統採用寬頻光波作為數據信號來傳輸和處理信息，光譜隱身技術可用於選擇性判定哪些操作作用於光波，而哪些是在特定時間內「隱形」的。這將防止「竊聽者」通過寬頻光線探測光纖網絡採集信息。

這種可逆的、用戶定義的光譜能量再分配的總體概念，也將應用於隱身鬥篷之外的領域。例如，選擇性的移除並隨後恢復作為電信數據信號使用的寬頻光波中的顏色，從而使得更多的數據通過給定的鏈路傳輸，在數據需求日益增長的情況下，這將緩解數據擁塞。或者，這項技術也可以儘可能降低目前寬頻電信鏈路中存在的一些關鍵問題，例如重新組織信號能量頻譜，使它不容易受到色散、非線性現象以及其他損害數據信號的不良效應的影響。

研究人員展示的這種光譜隱身技術，只適用於物體在一個空間方向上接受光線照射的情況。Azaa 表示，這一概念有可能經過拓展，達到讓物體在任何方向的光線照射下都能實現隱身。團隊計劃朝著這個目標繼續開展他們的研究。同時，他們也正致力於推進單向光譜隱身技術在一維光波系統中的實際應用，例如基於光纖的應用。

關鍵字

光學、隱身、通信、光纖、安全

參考資料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/spectral_cloaking_could_make_objects_invisible_(1)/

【2】Luis Romero Cortés, Mohamed Seghilani, Reza Maram, José Azaa. Full-field broadband invisibility through reversible wave frequency-spectrum control. Optica, 2018; 5 (7): 779 DOI: 10.1364/OPTICA.5.000779

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