【原创综述】电磁超材料发展概述-2/3

前言:在上节(发展阶段一),我们介绍了左手材料的两个关键要素(金属线阵列+开口谐振环)和负折射传播特性等相关知识。本节我们将介绍变换光学在超材料设计中的应用。

关键词:等效媒质,超材料,变换光学,隐身斗篷,电磁黑洞

[来源:wwwf.imperial.ac.uk]

电磁超材料发展阶段二

2006年4月26日,《Science》期刊录用了两篇重量级论文,并同期连号出版,他们分别是德国Leonhardt教授发表题为“Optical conformal mapping”和英国Pendry教授发表题为“Controlling electromagnetic fields”的论文[1-2],他们分别从光学保角映射和坐标变换两种途径揭示如何利用超材料设计隐身斗篷的技术,这可谓是超材料技术发展的又一个里程碑事件。根据Google学术统计,两篇论文引用率分别为3885次和7818次(截至2019.10.26),堪称经典之作。

为方便理解隐身斗篷的概念,参考维基百科给出如下解释:考虑二维自由空间一个圆柱形的金属物体,在平面电磁波辐照下会产生电磁散射(表面感应电流造成),对原场造成扰动。隐身斗篷的作用就是通过巧妙的设计抑制和消除这种扰动,使得斗篷覆盖区域以外保持原有场分布,看起来就像哈利·波特身披的隐身衣一样。一种可行的方案就是通过金属物体周围放置特定电导率和介电常数分布的超材料薄层,从而自由引导电磁波绕过物体(偏折电磁波)从而实现电磁隐身,如下图所示。

[来源:en.wikipedia.org]

其实早在2003年,Pendry教授与Smith教授在设计超材料完美放大镜的工作中就已经使用了变换光学的技巧,但受限于项目,没有对外公布。随后一次有关负折射材料的会议中(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA组织,2015年4月San Antonio举行),受组织者的建议,Pendry教授决心利用超材料开展隐身设计,变换光学应用的想法才提上日程。接下来各种新奇的电磁超材料隐身设计如雨后春笋般涌现。这里着重介绍四项。

(1)电磁隐身衣。2006年,Schurig教授与Pendry教授、Smith教授合作利用SRR结构首次实现了微波频段的二维柱状结构的隐身衣设计,并从实验上验证了工作频率为8.5 GHz的超材料的电磁隐身特性[3]。

[来源:metamaterials.duke.edu]

(2)宽带隐身地毯。2009年,Smith教授博士生刘若鹏在《Science》发表了地毯式隐身衣的论文(与东南大学崔铁军教授合作),设计了低损耗的二维宽频地面目标电磁“隐身衣”(工作频率覆盖13.0 GHz到16.0 GHz),实现了新的突破[4]。

(3)电磁黑洞。2009年,崔铁军研究组程强教授在普渡大学科学家提出的“光学黑洞”理论方案的基础上,实验实现了微波段电磁吸收率高达99%的超材料装置,可导引、吸收所有方向电磁波,被人们形象的称之为“电磁黑洞”[5]。

(4)三维隐身衣。2010年,崔铁军教授研究组马慧锋博士(现为东南大学教授)与一个德国-英国研究组相互独立地将“隐身衣”从二维表面搬进三维空间,实现了微波频段对于不同极化、任意方向入射的电磁波进行宽频带电磁隐身的奇特现象[6]。

最后给大家分享几个有用的连接:

(1)变换光学综述。Transformation optics from macroscopic to nanoscale regimes: a review,2019年Pendry教授专访。

外文连接:

https://www.spiedigitallibrary.org/journals/Advanced-Photonics/volume-1/issue-01/014001/Transformation-optics-from-macroscopic-to-nanoscale-regimes-a-review/10.1117/1.AP.1.1.014001.full

中文翻译:

http://zhishifenzi.com/innovation/technology/5202.html

(2)变换光学讲座。Metamaterials: new horizons in electromagnetism,2012年Pendry教授,时长45分。

视频链接1:

视频链接2:

(3)电磁黑洞介绍。New Journal of Physics期刊论文视频,2010年崔铁军教授,时长四分。

视频链接1:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/12/6/063006/meta(103 MB清晰,可下载)

视频链接2:

精选参考文献

[1] Leonhardt U. Optical conformal mapping. science. 2006 Jun 23;312(5781):1777-1780.

[2] Pendry J B, Schurig D, Smith D R. Controlling electromagnetic fields[J]. Science, 2006, 312(5781): 1780-1782.

[3] Schurig D, Mock J J, Justice B J, et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies[J]. Science, 2006, 314(5801): 977-980.

[4] Liu R, Ji C, Mock J J, et al. Broadband ground-plane cloak[J]. Science, 2009, 323(5912): 366-369.

[5] Cheng Q, Cui T J, Jiang W X, et al. An omnidirectional electromagnetic absorber made of metamaterials[J]. New Journal of Physics, 2010, 12(6): 063006.

[6] Ma H F, Cui T J. Three-dimensional broadband ground-plane cloak made of metamaterials[J]. Nature Communications, 2010, 1: 21.

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