光學(xué)隱形技術(shù)原理

黃海森

（國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局，湖南 懷化 419100）

隨著人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)不斷深入，光學(xué)發(fā)展經(jīng)歷波動(dòng)光學(xué)時(shí)期、現(xiàn)代光學(xué)等階段。光學(xué)是當(dāng)前科研領(lǐng)域最活躍的前沿陣地，不少規(guī)律理論從實(shí)踐中總結(jié)。變換光學(xué)是近年來(lái)學(xué)者廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域，人們可以利用坐標(biāo)變換法設(shè)計(jì)新型材料，新近發(fā)展的超構(gòu)材料使人們可以發(fā)現(xiàn)變換光學(xué)要求非均勻光學(xué)材料，變換光學(xué)概念為最終調(diào)控聲波等傳播性質(zhì)提供有效科學(xué)途徑。該文研究揭示光學(xué)隱形技術(shù)原理，探討光學(xué)隱形技術(shù)原理的應(yīng)用。

1 變換光學(xué)研究

電磁波傳播調(diào)控是物理學(xué)中的重要問(wèn)題，通常通過(guò)調(diào)控電磁波傳播介質(zhì)控制傳播方式，如使用玻璃透鏡為相機(jī)鏡頭成像，介質(zhì)間界面對(duì)電磁波傳播起到調(diào)控作用，非均勻介質(zhì)可對(duì)電磁波傳播調(diào)節(jié)。人們可以按照特定方法設(shè)計(jì)制備具有特定空間分布的非均勻介質(zhì)。如光學(xué)隱身衣通過(guò)改變光傳播方向，使光繞過(guò)隱形物體達(dá)到隱形目的。

1996年英國(guó)物理學(xué)家Pendry提出設(shè)計(jì)特殊介質(zhì)材料參數(shù)方法，最終發(fā)展為變換光學(xué)。通過(guò)具有空間分布非均勻介質(zhì)，磁場(chǎng)強(qiáng)度B可任意按期望的方式人工調(diào)控。變換光學(xué)成為研究新光學(xué)現(xiàn)象的重要工具。變換光學(xué)系統(tǒng)將材料介電常熟與空間坐標(biāo)聯(lián)系，具有特定空間分布的介電常數(shù)可等效于對(duì)應(yīng)彎曲空間。電磁波沿原空間中被彎曲后路徑傳播，可以精確控制電磁波傳播方式。

通過(guò)變換坐標(biāo)，設(shè)計(jì)材料參數(shù)具有特定空間分布的介質(zhì)材料，可證明介質(zhì)材料對(duì)光傳播方式調(diào)控等效于之前坐標(biāo)變換對(duì)空間調(diào)控。坐標(biāo)變換自由性，使利用變換光學(xué)設(shè)計(jì)材料控制光傳播成為有效方法。變換光學(xué)理論具有廣泛應(yīng)用前景，人們利用理論設(shè)計(jì)很多功能性光學(xué)器件，如2006年P(guān)endry提出的隱身衣。Pendry等人提出變換坐標(biāo)法，利用拉伸變換可設(shè)計(jì)球殼式隱身衣，使光繞過(guò)球殼中心空間使內(nèi)部物體隱形。球殼式隱身衣工作原理如下。通過(guò)拉伸坐標(biāo)變換，將空間集合點(diǎn)拉伸為有限體積球，電磁波不能穿透進(jìn)入點(diǎn)線，必須嚴(yán)格跟隨空間坐標(biāo)變換。不能穿透進(jìn)入對(duì)應(yīng)球形區(qū)域，坐標(biāo)變換決定隱身衣介質(zhì)材料參數(shù)空間分布。

變換光學(xué)原理有很多應(yīng)用，2010年Luo等人研究系列包括奇點(diǎn)的等離激元結(jié)構(gòu)，包括粗糙表面結(jié)構(gòu)與新月形結(jié)構(gòu)。Aubry等人設(shè)計(jì)等離激元納米微結(jié)構(gòu)器件，從無(wú)限大等離激元結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)電磁波響應(yīng)具有寬帶特性。結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生等離激元，群速度逐漸減慢最終停止，電磁場(chǎng)出現(xiàn)明顯增強(qiáng)。

2 光學(xué)隱形技術(shù)原理

說(shuō)到隱形，首先要明白，人眼看到東西過(guò)程是什么樣的，例如人為什么能夠看到一輛汽車，看到汽車的過(guò)程是怎么樣的？

如圖1，人之所以能夠看到汽車，是因?yàn)楣饩€進(jìn)入了人的眼睛，最后在人的眼睛視網(wǎng)膜上形成了圖像，所以人能夠看到汽車。

圖1 正常視物圖

如圖2所示，在人與汽車之間放上一個(gè)盒子，汽車就被盒子擋住了。這樣就只能看見(jiàn)這個(gè)盒子，看不到后面的汽車了。

圖2 視線被阻擋圖

為什么不能夠看見(jiàn)汽車，是因?yàn)楣饩€的傳播被盒子阻擋了，所以現(xiàn)在只能看見(jiàn)盒子，要讓這個(gè)盒子變得不可見(jiàn)，就必須讓盒子重新模擬光線傳播的全過(guò)程。讓汽車的光線重新穿過(guò)盒子。如果在盒子上開(kāi)出幾個(gè)小孔，那么汽車反射的光線就能夠通過(guò)這幾個(gè)小孔到達(dá)人的眼睛，這樣就可以看見(jiàn)汽車。

但是幾個(gè)小孔并不足以讓人看見(jiàn)整個(gè)汽車，能看到的僅只有小孔部分透過(guò)的光線，也就是只能看到整個(gè)汽車的一小部分。汽車其余的部分還是被盒子擋住了，所以能看到的大部分還是盒子，而最終的目的是要讓整個(gè)盒子變得不可見(jiàn)，那么單純的在盒子上鉆幾個(gè)孔必然是不行的，要看見(jiàn)整臺(tái)汽車，就要讓整個(gè)盒子變得不可見(jiàn)，這就必須讓盒子的每個(gè)部分都能夠順利的讓光線通過(guò)。

如圖3，將阻擋物的兩面開(kāi)滿小孔，以便于讓光線順利的通過(guò)。

圖3 盒子開(kāi)孔示意圖

當(dāng)盒子的兩面開(kāi)滿小孔時(shí)，大部分的光線就已經(jīng)不再受到阻擋，而小孔的光線就如圖4、圖5一樣，每個(gè)小孔光線通過(guò)，每個(gè)小孔通過(guò)的每條光線都是獨(dú)立的，每個(gè)不同角度的光線，經(jīng)過(guò)小孔后，到達(dá)盒子對(duì)面的不同位置。

圖4 光線的傳播方式1

圖5 光線的傳播方式2

知道了光線傳播的過(guò)程，就可以明白，盒子能夠被看見(jiàn)，是因?yàn)楹凶訐踝×斯饩€，只要能讓盒子上小孔的位置能夠準(zhǔn)確的采集和模擬出光線，就相當(dāng)于在盒子上開(kāi)小孔，讓每個(gè)小孔的位置能夠完整的采集和模擬出盒子在小孔的位置上所能夠接收到的光線并且計(jì)算出采集到的光線以什么樣的角度從另一面相應(yīng)的位置發(fā)出，就能夠?qū)崿F(xiàn)隱形的功能。

如果要實(shí)現(xiàn)這樣的功能，就需要采集模擬器，讓光線采集模擬器來(lái)代替小孔進(jìn)行工作。光線采集模擬器不僅有采集光線的功能，還能夠同時(shí)模擬出相同的光線來(lái)代替這些小孔的功能。每個(gè)光線采集模擬器都有很多小格，如圖6，每個(gè)小格都對(duì)應(yīng)著不同角角度采集到的光線和不同角度模擬的光線，這就是“光線采集模擬器”。

如圖6，每個(gè)用來(lái)代替小孔的模擬器都布滿了更小的發(fā)光元器件，能夠準(zhǔn)確地根據(jù)要求模擬出每束光，如圖6每個(gè)小格和每束光線都會(huì)有一個(gè)具體的編號(hào)，對(duì)應(yīng)著每束采集到的光線，和每個(gè)小格應(yīng)該模擬出什么樣的光線。

如圖7，光線1穿過(guò)盒子左下邊的小孔，然后從盒子的右上方射出，通過(guò)放大后（圖6）可以看到具體的編號(hào)，左側(cè)下方的光線采集模擬器編號(hào)為52的感光孔采集到的光線，最后會(huì)從右側(cè)上方的光線采集模擬器編號(hào)為16的感光孔射出，由盒子模擬出色彩一樣的光線，向這個(gè)方向發(fā)出。當(dāng)所有的光線采集模擬器都開(kāi)始工作時(shí)，那么這個(gè)物體能就成功地實(shí)現(xiàn)了隱形。

圖6 光線采集模擬器示意圖

圖7 光線模擬說(shuō)明圖

3 光學(xué)隱形原理應(yīng)用

以上就是隱形原理的說(shuō)明，實(shí)際上就是由光線模擬器重新模擬出被盒子擋住的光線，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)隱形。以上只是說(shuō)明原理的示意圖。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要將盒子的上、下、左、右、前、后六個(gè)方向全部都裝上這樣的光線模擬器才能夠?qū)崿F(xiàn)隱形。相當(dāng)于整個(gè)盒子的外殼全部是由這樣微小的光線模擬器組成，這些微小的模擬器一個(gè)挨著一個(gè)，最終組成了一個(gè)盒子。這就要求光線采集模擬器必須非常小，小到人的肉眼都無(wú)法分辨，這樣的工藝要求十分高。同時(shí)還具有至少向全角度模擬光線的能力，使人無(wú)論在什么樣的角度，都能夠看到應(yīng)該看到的光線，否則是無(wú)法達(dá)到隱形的效果的。

人的眼睛能看清的最小物體是0.1mm左右，如果以現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)制作這樣的設(shè)備，那么這個(gè)光線采集模擬器大小就不能超過(guò)0.2mm，這樣一個(gè)微小的光線模擬設(shè)備里，包括了采集、模擬器以及通信設(shè)備等。還需要在這樣的一個(gè)微小設(shè)備上安裝光源，通過(guò)這些微小的電子設(shè)備，來(lái)記錄每個(gè)角度的光線亮度以及對(duì)應(yīng)的色彩，并計(jì)算出這束光線應(yīng)該由哪一個(gè)光線模擬器的哪一個(gè)格子向外發(fā)出。以目前的技術(shù)是無(wú)法完全達(dá)到最終效果的。

雖然以現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法造出這樣的設(shè)備，但是并不影響用邏輯來(lái)分析出設(shè)備是如何制作的。只需知道某種物質(zhì)的性質(zhì)特征，就可以用邏輯來(lái)分析出這種物質(zhì)可以用來(lái)做什么，如何運(yùn)用。而世界上很多關(guān)于隱形研究都弄錯(cuò)了方向，因?yàn)檫@些研究沒(méi)有從原理上去解析隱形原理，就像利用光線進(jìn)行折射現(xiàn)象研究隱形的試驗(yàn)，看起來(lái)好像是成功的，因?yàn)樗娴目梢宰屢粯訓(xùn)|西變得看不見(jiàn)，但實(shí)際上只需要換一個(gè)角度，它便無(wú)所遁形。例如某些聲稱已經(jīng)制作出隱形材料的研究室，只需要分析一下這種材料能否重新完成光線的傳播，就能明白這個(gè)發(fā)明是否是真實(shí)的。

不僅如此，在其他的研究發(fā)明上也可以用邏輯來(lái)分析某項(xiàng)發(fā)明是否真實(shí)。反之也能用于科學(xué)創(chuàng)造，只需要了解某個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，就能夠分析出相應(yīng)的設(shè)備是如何制造的。