未來已來：隱身不再只是科幻小說中的場景

2020-10-12 江蘇雷射產業創新聯盟

光線透過廣闊的海洋，為一些海洋生物提供了天然的防護層，例如，甲殼類透明生物Cystisoma。由於Cystisoma除了一些必要的器官，如眼睛外，幾乎全身都是透明的，它大大減少了散射面，使它能夠避免被大多數捕食者發現。然而，由於某些捕食者眼睛具有特異能力，仍有少數捕食者能夠利用交叉光譜視覺技術探測並成功攻擊這類獵物。如果一個生物能夠有效避開交叉光譜視覺技術，那麼該種生物在海洋中生存的可能性將會更大。受這種生態關係的啟發，一種同時集成長波隱身和短波透明性的跨波長隱身概念應運而生。這種人為地打破了上述生態關係，將透明的「獵物」隱藏在「捕食者」的跨光譜視野中，因此，這種隱身原理對實際隱身技術具有重要意義。例如，迄今為止只出現在科幻小說中的透明隱形飛機或飛行器可以在實驗室中進行模擬。在這樣的飛機或飛行器中，駕駛員可以自由地看到周圍環境的動態，而不必擔心被外部微波雷達系統探測到。

成果簡介

近日，吉林大學徐速聯合浙江大學陳紅勝以及清華大學孫洪波課題組在隱身技術方面取得重要進展。作為一種優越的自我保護手段，隱身技術一直是學術界和工業界長期關注的話題，因為它具有巨大的應用潛力，但這些應用目前只出現在科幻小說中。然而，由於材料固有的強色散性，使得跨波長隱身仍然是一個巨大挑戰。受海洋動物之間的生態關係及其捕食者的跨波長探測的啟發，本研究提出了多種隱身策略集成的跨波長隱身概念。作者主要通過納米壓印技術證明了長波隱身和短波透明性之間的關係。該工作將隱身技術的概念從單波長光譜的單個隱身戰術擴展到針對跨波長應用的綜合隱身技術，為跨波長集成元器件的發展鋪平了道路。該工作以標題「Cross-wavelength invisibility integrated with various invisibility tactics」 發表於國際頂級學術期刊Science Advances上。

圖文導讀

圖1 光學透明微波隱身隱身罩的生物學仿生設計

在本工作中所製作的隱身罩是完全透明的，從外面可以看到內部物體（即印有「吉林大學」字樣的金屬徽章）。這一現象表明，內部觀察者可以自由地看到外面，與完全不透明的隱身罩相比，隱形隱身罩的可見尺寸明顯減小。具有光學透明微波隱形隱身罩由兩個超表面組成，它們印在柔軟的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上，並由彎曲的透明PET間隔棒隔離，在1 MHz下的相對介電常數為3.37。其中，PET薄膜的厚度為0.15mm，而間隔層的厚度為2.16mm（頂蓋），1.8mm（側壁）。內層超表面是一個完美的電導體（PEC）邊界，並且外層超表面上的環形諧振器提供了適當的相位補償和保幅效果。

圖2 光學透明微波隱身罩的布爾超材料設計方法

值得注意的是，由於作者製作的隱身罩是基於亞表面的相位補償型，它的特點在於可以重建反射波，使其與原始地平面反射的波相同，因此它不存在明顯的高度問題和散射波的橫向偏移。僅設計對單元進行微波隱身是不足以實現跨波長隱身的。一方面，產生適當相移和保持振幅響應的微波隱身結構需要具有超高導電性的材料，這種材料通常存在於均質金屬中。另一方面，超結構應該呈現出極高的透射光強度，這就要求超低的光學傳導性。為了滿足光學透明微波隱身罩的材料要求，作者首先製備一種透明銀網，以達到極高的導電率和超低的光學傳導性。基於此，作者採用布爾超材料設計方法將這些用於單波段功能，並合併為一個完整的單元結構。通過這一過程，形成的宏觀金屬網絡結構，這些金屬絲具有極高的局部導電率，同時保持極低的整體光導率。

圖3 布爾設計後環形諧振器的相位和振幅響應

為了計算單個單元的振幅響應，作者定量研究了不同層電阻下的電位反射衰減。從結果可以看出，與隱身罩要求相匹配的薄片材料的電阻非常有限。當材料的薄片電阻超出這個範圍時，系統中的歐姆損耗將衰減反射電磁波的振幅，並持續地惡化隱身效果。在實際中，有效的材料參數設計是非常具有挑戰性的。例如，透明導電材料，例如銦錫氧化物、石墨烯和碳納米線具有良好光學透明性，通常只有具有高於1歐姆/片的電阻。然而，發現當片電阻大於1歐姆/片時，這種超表面無法實現保幅。換言之，這種透明導電材料可能無法滿足跨波長隱身方法的關鍵要求，儘管它們已被廣泛用於微波吸收器和其他微波器件的屏蔽領域。為了避免不必要的歐姆損耗，因此，作者將金屬絲的寬度限定在6 μm左右，能有效地降低歐姆損耗。

圖4 隱身罩的光學特性表徵

由於既要保證在微波尺度下大面積隱藏宏觀物體，又要保證微米尺度的金屬絲的高精度製作，因此作者選擇了一種先進的納米壓印技術來實現光學透明的微波隱身罩。隱身罩外殼的反射光束分布與地面反射光束分布相同，這表明當隱身罩凸起時，反射光束可以恢復如初。為了與隱身罩和地面情況進行比較，分別採用了由透明PEC膜和鋁膜製成的凸起面的反射光束分布。在這兩種情況下，反射光束分為幾個部分，其模式與地面情況完全不同。我們可以看到，在透明PEC的情況下，反射光束的分布幾乎與鋁膜塊的情況相同，這表明金屬網絡具有極高的導電性。

總結展望

在以往的控制電磁波手段的基礎上，作者採用布爾超材料設計方法提供了多種隱身的可能方式。重要的是，該工作提供了一種採用跨波長集成隱身的方法。此外，在集成邏輯電路概念的啟發下，該工作可以對不同功能需求的緊湊設計提供多種解決方案，從而為設計緊湊尺寸的多功能物理器件鋪平道路。

文獻信息

Cross-wavelength invisibility integrated with various invisibility tactics, Science Advances, https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb3755

來源：微算雲平臺 江蘇雷射聯盟轉載

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