实现视觉上的隐身效果：挑战与前景

从中国古代隐身术的传说，到各种科幻电影、书籍中的隐身衣，人类一直梦想实现“隐形”这一超能力。尤其是在军事作战时，隐形技术可以大大增强部队的生存能力，提高对敌人的威胁力。隐形技术在第二次世界大战后取得了重要的突破，雷达隐形、红外隐形、磁隐形、声隐形等技术逐渐发展。初期的隐形技术主要是通过独特的外形设计和采用一些吸波、透波材料，如在飞机上采用复合吸波涂料、蜂窝结构吸波材料等，以降低飞机对雷达波的反射；同时降低飞机发动机喷气的温度或采取隔热、散热措施，减弱红外辐射，降低对外来电磁波、光波和红外线的反射，达到与它所处的背景难以区分，从而把自己隐蔽起来。但严格来说，这并非在光学意义上的隐形，而是一种“低可探测技术”。

在光学上的“隐形或者隐身”指的是特定波长的光经过材料时，既不被反射也不被吸收，并且经历该材料发生的相位差与周围环境保持一致。这意味着需要一种能同时实现负磁导率和负介电常数的负折射率材料才有可能实现。负折射率材料的导波特性与自然材料相反，其坡印亭矢量S和波矢K指向相反，因此光线能光滑地通过材料表面而不发生侵入或者反射，不会产生影子和反射，于是就产生了物体被“隐藏”的功能。人工微结构材料及复合结构光纤的发明，使得制备这种非常规材料成为可能，推动隐形技术的发展。

1968年，苏联物理学家Veselago提出了一个大胆的假想，由此掀开了人类探索负折射率材料的新篇章。他认为同时具有负介电常数和负磁导率的物质存在，其具有负的折射率，因此具有与常规物质极不相同的光学特性［6］。他以n=－1负折射率平板材料为例，推演可以将物体的原像在材料的另外一侧完美重建，即超级透镜。但由于自然界中并不存在这样的材料，因此，Veselago的论点在当时并未受到重视。直到20世纪末，微结构材料制备技术开始发展起来，才引起科学家们的兴趣。1999年之后，众多科学家提出了在微波波段构建负折射率器件结构，如利用手性复合光纤减少入射电磁波的反射并能够吸收电磁波；或者制备超材料，通过结构设计，使负的磁导率和介电常数在同一频率范围内出现。这为负折射率材料的结构设计和制备提供了新思路。其中最具有代表性的是分裂环状谐振腔（split－ring resonator，SRR）在微波波段实现了－2.7的折射率。2010年，Tuniz等［257］通过理论设计，提出超材料光纤有望实现可见光波段内的“隐形”。超材料光纤相比常规光纤，具备更多的调控自由度，能够实现传统光纤无法实现的特性，如超小模场面积、高阶模式损耗低于低阶模式等。他们通过将光子晶体光纤的包层气孔替换成铟金属细丝，并采用PMMA高分子材料作为基底材料，成功制备了THz频段的超材料光纤；其能够在0.30.4 THz频段内实现负介电常数。2011年，他们成功制备了一种开口谐振环超材料光纤。他们将金属铟薄片卷到PMMA空心管表面并留下缺口，而后在缺口中插入PMMA圆棒，最后将上述整个结构插入聚碳酸酯（PC）包层制得预制棒。之后通过控制拉丝速率，得到对应的谐振频率分别为116 GHz、126 GHz和158 GHz的光纤。而后，又采用二次拉丝直接制备成超材料光纤阵列［258］。2012年，他们采用类似方法，制备了双开口谐振环超材料光纤［550］。当谐振频率附近电磁波的磁场方向与光纤方向平行时，由于双开口谐振环的共振，使超材料光纤呈现负磁导率。2011年，Wang等基于方形Zeonex高分子柱状光纤镀银膜，并在光纤端面形成开口谐振环结构制成超材料光纤，并排形成二维THz频段超材料，在0.34 THz频率处实现负磁导率（－2+2.2i）［262］。这些单负超材料在吸波、隐身技术领域具有重要的应用价值。2015年，Townsend等通过在Si基底材料中填充铜金属细丝，实现负介电常数超材料。然后，他们采用负介电常数超材料作为光纤包层，铜棒作为纤芯，制备了红外波段负折射率光纤［551］。但是，受限于超材料光纤的制备难度，这些光纤的实际应用尚未推广；并且相关研究也指出，到目前为止，能同时实现负磁导率和负介电常数的材料，大多都是在微波波段，并非视觉上的隐身材料。其隐形效果只对特殊范围的波长有作用，且只能在较小频率范围内发挥效果。理论上来说，若是推向可见光波段，SRR结构要小近千倍。要真正实现视觉上的隐身效果，还需开发出可见光波段的负折射率材料。(www.xing528.com)

负折射率复合光纤的出现，也推动了显微成像技术的发展。最新研究成果表明，超材料光纤可用于制备突破衍射极限、完美地复原波源所有信息的超级透镜。2013年，Tuniz等［552］采用热拉法制备由金属铟和Zeonex高分子材料组成的超材料光纤。在0.11 THz频率下，该光纤能够清晰地对100μm的光斑间隙进行成像，最小成像分辨率为λ/28。在基于亚波长阵列金属线结构单元的有机－金属复合锥形光纤阵列中，当入射波频率为金属等离子体共振频率时，金属线表面等离子体被激励而发生谐振，使锥形光纤呈现负折射率特性。其在50 GHz频率下将直径约为10 mm的光斑聚焦为λ/9的光斑，将直径约为1 mm的光斑聚焦为水平半径为λ/28的光斑，实现了突破衍射极限成像。