解密浙大“隱身衣”原理－x0z7blog01的部落格

（）：解密浙大“隱身衣”原理

披上一件隱身鬥篷，在視野中瞬間遁形，這是人類長期以來的夢想。日前，一隻貓和一條金魚比人類提前“享用”瞭一種隱身衣。浙江大學國際電磁科學院陳紅勝教授課題組與新加坡南洋理工大學張柏樂教授等研究團隊合作，使用玻璃制造出瞭可見光波段的生物隱形器件。這一最新成果發表在Nature Communications上。

要隱身，進入隱身衣的光線必須跑得比外部光線快

在這個課題組的實驗中，一隻蹲在六邊形隱身裝置裡的小貓，在特定的某個角度，光線可以直接繞過小貓，並回到原來的路徑出射，產生小貓“隱身”的效果。為瞭探究隱身衣對不同生命環境的適應性，課題組還研發瞭一組適用於水中隱形的裝置：金魚遊進這件“隱身衣”，身後的物體仍然一覽無餘。

“這意味著隱身器件不僅能夠隱藏像貓、魚這樣大的物體，生物還能和隱身器件一起活動，隱身效果並不會因此受到影響。”陳紅勝說。

陳紅勝介紹說，要研究“隱形”，就要先明白物體為什麼會“顯形”：當電磁波照射到物體上時，會在物體上發生散射。散射的電磁波被人眼等“感應器”接收，就能識別那裡存在物體。

“目前應用的隱身技術，大部分是通過吸收電磁波，讓反射回去的電磁波達到最小，比如在可見光頻段，這種技術就相當於給物體穿瞭一件不反射光波的黑色的衣服一樣，在黑暗的背景中不會被發現，但是在明亮的背景中卻反而更易被發現，因此這種隱身技術並不是人們通常所理解的隱身衣技術。”陳紅勝說。

2006年，英國帝國理工學院研究者在《科學》雜志上發表文章，提出瞭利用坐標變換的方法設計隱身衣，既不反射也不吸收電磁波，使電磁波能夠繞過被隱身的區域，按照原來的方向傳播，從而使物體完全隱形。這個隱身衣設計的“殿堂級”理論，奠定瞭隱身衣研究的理論體系。它的核心思想是：通過材料表面折射率的改造，讓光線“轉彎”繞過物體按原方向傳播，就能將物體隱藏。此後，隱身衣的研究得到飛速發展，近年來成為電磁學、物理學、光學、材料科學及交叉學科非常前沿和熱門的研究領域之一。

陳紅勝打比喻說，就像小溪裡的流水，經過一塊石頭時，溪流會繞過石頭後再合攏瞭繼續向前，如同沒有遇到過石頭一樣。進入隱身衣的光線要繞過物體，所以走過的路徑長；沒有進入隱身衣的光線是一條直線，走過的路徑短。完美的隱身衣要求所有的光線保持相同相位，因此進入隱身衣的光線必須跑得比外部光線快，這就要求隱身衣的材料對不同光線具有不同的折射率。

但要實現“完美隱身”的理想，需要非常精密的納米加工技術，目前還無法實現，必須進一步對理論進行簡化，才有可能在一個頻帶較寬的電磁波頻段裡研發出可以實用的隱身衣。

從讓筷子隱形，到隱身衣尺寸變大，隱身性能不斷提升

此次最新進展，源於陳紅勝課題組近兩年聚焦如何在可見光波段實現物體隱形的研究。也就是說，怎樣讓物體在人的肉眼前遁形。他們提出瞭一種可見光波段多邊形隱身衣的設計方法，通過均勻線性光學變換的方法，設計並簡化瞭隱身衣的各個部分的參數，對於隱身衣從理論走向實用起到瞭促進作用。

“人眼對光線的相位和略微延時並不敏感，”陳紅勝說，通過對理論體系進行進一步簡化，“隱身器件能夠使用更加易得的材料，也不需納米級工藝雕琢，降低瞭隱身衣的設計和實現難度。”

在2012年，陳紅勝課題組用一種自然界存在的雙折射晶體研發瞭一套柱形隱身器件，實現讓一根筷子粗細的物體隱形。2013年，課題組對隱身器件的實現方案進行瞭全面的評估和設計，最終選用在工業上可以大規模制備的一種玻璃作為隱身衣的材料，將隱身衣的“尺寸”擴增到直徑分米量級以上，並且可以在任意極化的自然光下隱身。

截至目前，這一可見光頻段的隱身器件還隻能在特定的角度上取得理想的隱身效果，如六邊形隱身器在正對六條棱角的角度具有較好效果，而多邊隱身器僅有兩個角度能夠實現隱身。

陳紅勝表示，這一隱身器件將有望在安全、娛樂和監控應用領域發揮作用。下一步將著力提升隱身的性能，如增加隱身角度、減輕裝置的重量等。

離應用很遠，但“哈裡·波特”式的隱身衣有望成真

陳紅勝說，由於隱身衣的研究存在幾個主要的技術瓶頸，如材料參數苛刻、不夠輕便等，因此目前隱身衣的研究主要還處於實驗驗證及測試階段，離應用還有很長的距離。

據介紹，目前隱身器件實驗研究方面進展主要可以歸為兩類：一類是地毯式隱身器件，物體躲在地毯式隱身器件下面，對於上面的觀察者來說，看到的效果就像平整的地面一樣，由此可以使物體得到隱身，這一類地毯式隱身器件要求物體不能脫離地面，主要是基於光線的反射，參數上相對容易實現一些。通過國內外科學傢的努力，目前地毯式隱身器件已經從微波段做到瞭光頻段，並且隱身的尺度也從幾個波長的大小到達幾千個波長的大小。

第二類是人們通常所理解的“哈裡·波特”式的隱身衣，可以脫離地面移動，這類隱身衣要求光線能夠繞過中間的隱身區域，參數要求更加苛刻一些。由於工藝設計的限制，目前國際上這部分的實驗工作主要還是集中在微波波段。

陳紅勝等人的工作屬於上述第二類型隱身器件的研究。如從應用的視角來看，可見光隱身如要能有較好的應用，必須要能夠寬頻帶、全方向、全極化工作，要實現這個最終目標難度非常大。

盡管如此，陳紅勝課題組和合作團隊的這項研究可以工作在整個可見光頻段和任意極化的光波，並選用瞭在工業上可以大規模制備的玻璃來實現，將這類隱身器件的設計及實現的難度大大降低，預計未來這類隱身衣有望加速走入到人們的日常生活中。