光线“曲线前进” 可见光下实现隐身

UFO爱好者

在层出不穷的隐身技术中，要达到不错的隐身效果难点非常多。浙江大学陈红胜课题组的一项最新科研成果显示，要达到视觉效果，除了让光线“曲线前进”，或者在可见光下实现隐身效果外，还可以有更“讨巧”的办法。
　　记者 童岱





　　当小猫和小鱼进入隐身装置时，它们的一部分身体消失不见了，而露在装置外面的部分则提示了它们的位置。郑斌供图
　　几块特制玻璃，经过有序地粘合，形成一个六边形装置，看上去没有什么特别之处。但你只要将笔插进其中心位置，就会发现，笔不见了！
　　值得注意的是，这个装置是在可见光波段的生物隐形器件。它是由浙江大学电子信息技术与系统研究所教授陈红胜课题组与新加坡南洋理工大学教授张柏乐等研究团队合作取得的新进展，相关成果发表在最近的《自然通讯》上。
　　小猫、小鱼“被”隐身
　　“目前我们能做到的隐身装置是分米级别的。”博士生郑斌告诉记者，他在陈红胜课题组担负实验工作。去年6月，他们就曾尝试让一只猫“消失”在装置中。“当时那小家伙在工作间里跑来跑去可闹腾了，不过最终还是满足了我们的实验需求。”
　　为了探寻隐身装置对于不同生命环境的适应性，他们开发了一套适于让水中鱼儿隐身的装置，陈红胜课题组还在网上公布了他们的实验视频。从视频中可以看到，当小鱼游进装置时，进入装置的身体已经发生隐形，而露在装置外面的尾巴却提示了它的位置。
　　“我们目前开发的隐身装置，不仅可以让猫、鱼这种大的生物藏匿于可见光之中，它们还能和隐身装置一起活动，但隐形的效果不会有任何影响。”陈红胜在接受《中国科学报》记者采访时表示。
     
  
        
　　“光线的相位和微略延时对于人的肉眼而言是难以觉察的，所以我们选择了更容易得到的材料，来做相关装置，降低了隐身装置的设计和实现难度。”郑斌说。
　　2012年，陈红胜课题组曾利用一种双折射晶体研发了一套柱形隐身装置，可以让一根筷子粗细的物体“隐身”。接下来的时间，他们对实现隐身的方案进行了重新评估和设计，最终找到了更合适的思路。
　　“后来我们找到了一种可以大规模制备的玻璃作为隐身装置的材料。”郑斌说，普通玻璃的折射率在1.5~1.9，而他们采用的特殊玻璃的折射率仅为0.8，这使得隐身装置的直径从厘米级扩展到了分米级，并且可以在自然光下实现隐身效果。
　　“曲线救国”达到目的
　　“人的肉眼就好比‘感应器’，能接受到从物体上散射出来的电磁波，从而识别散射源存在的物体。”陈红胜说，这是显形的原理。要实现隐形，就得想办法让目标不散射出电磁波，从而让人眼“失效”。
　　他们的这项研究起始于2006年。那一年，英国帝国理工学院教授约翰·潘得利完成了关于隐身衣设计的殿堂级理论，相关成果发表在《科学》杂志上。
　　潘得利主张利用坐标变换的方法去设计隐身衣，简而言之，就是在不反射也不吸收电磁波的基础上，使其绕过需要被隐身的区域，按照原来的方向继续行进，从而让物体实现完全隐形的效果。
　　事实上，要实现潘得利的理论，就需要对隐身材料的折射率进行改造，让光线在物体面前拐弯后按原方向传播。就好比溪水中的水流，遇到石块阻挡会拐弯后再汇聚继续向下游流动。
　　然而，这一理论所针对的是完美的隐身衣，所有的光线必须保持相同相位（相位是指光在前进时，光子振动所呈现的交替波形变化）。也就是说，进入隐身衣的光线，其传播速度必须比外部的光线更快，这就对隐身衣的材料提出了更高要求——对不同光线具有不同的折射率。
     
  
        
　　陈红胜坦言，完美隐身衣的制作难度太大，需要相当精密的制备工艺和特殊的纳米级材料，以目前的科技水平还无法实现。但他们想出了“曲线救国”的一招。
　　近两年来，通过简化潘得利的理论，课题组提出了一种新的设计方法，就是通过均匀线性光学变换的方法，设计并简化隐身衣的相关参数，最终设计出了在可见光波段下能实现隐身的多边形装置。
　　隐身性能有待改进
　　“尽管不是将理论中的隐身衣变为现实，但他们的研究思路非常新颖。”北京大学物理学院现代光学研究所教授张家森在接受《中国科学报》记者采访时表示，从陈红胜课题组展示的视频和图片来看，这种隐身装置更多是利用了棱镜折射的原理。
　　在他看来，这种装置需要改进的地方还很多。比如，尽管可以让置于装置中的物件或生物隐身，但装置本身是可以看得到的。
　　事实上，这一隐身装置还只能在特定角度实现理想的隐身效果，比如六边形隐身装置在正对六条棱角的地方具有不错的效果。陈红胜团队的下一步计划，一方面是提升装置的隐身性能，增加隐身的角度，另一方面是减轻装置的重量，扩大装置的直径。
　　隐身衣理论体系的提出者潘得利在接受英国《卫报》采访时表示，陈红胜课题组取得的进展是隐身衣研究领域里“一个真正的进步”，并认为“他们剔除了透射波相位要求保持一致的条件，实现了尺度相当大的可见光隐身器件。”
　　对于隐身装置的研究，近年来已成为光学、材料学、物理学及交叉学科的前沿和热门研究领域之一。大体分为两个类别，一是地毯式隐身装置，比如将物体隐藏于其中，对于外部的观察者而言，就像是看到正常的地面一样。但这类器件不能脱离地面，其主要是基于光的反射原理，参数上更容易实现。
　　二是可以脱离地面移动的隐身装置，如同哈利波特式的隐身衣。这类隐身装置可以脱离地面移动，但参数要求更加苛刻，因为要求光线能够绕过装置中间的隐身区域。目前国际上这部分的实验工作大部分只是集中在微波波段。
     
  
        
　　陈红胜课题组开发的隐身装置便是上述的第二种类型，可见光波段隐身衣的研究也不会永远停留在理论层面。隐身装置性能的提高目前还存在技术瓶颈和一定的局限性，但利用让光线“拐弯前行”的原理，是让隐身技术真正走入生活领域的契机。“今后，随着隐身装置的性能进一步提高，在安全、娱乐和监控领域都能有所应用。”陈红胜说。
　　延伸阅读
　　隐形材料助推新型透镜研发
　　相比隐身衣的噱头，隐形材料的应用或许更为重要。美国加州大学伯克利分校校长、美国“国家纳米科学研究中心”主任、华人科学家张翔曾表示，他自己最看重的其实并不是隐身衣，而是一个很快就能“真刀真枪”用上的领域——透镜。
　　负折射材料可在纳米尺度上让可见光和近红外光弯曲，假如下一步能在正常尺度上实现这一奇观，隐形效果就有望成为现实。这样的负折射材料在透镜领域的应用将会对社会产生十分深远的影响。
　　芯片等各类精细器件的制造如今都离不开透镜的光刻技术，怎样才能把器件做小，是个很关键的问题。目前很多器件的研发似乎都没有什么重大突破，就是因为透镜的衍射极限没办法再降低。
　　借助负折射材料制作的透镜，研发人员就可以在极小的尺度上工作，制造出更小的电路，这将意味着芯片的存储能力、集成能力会向前大大推进。高性能计算机的纳米级集成电路、更高存储量的DVD等也可能接踵而来。
　　负折射透镜也有望给生物学等科研领域带来重大变化。现有的显微镜可以让科学家看到单个细胞，但细胞里面是如何运转的，却无从知晓。有了衍射极限大大缩小的负折射透镜，科学家将有望窥探活细胞的内部，这对于研究病毒入侵细胞的机制、新药筛选等都会产生重大影响。