超材料和变换光学：变换光学将是下一次光学革命？

传统光学用费马原理描述折射率的变化如何影响光的传播路径。“变化光学这一新兴领域使我们可以相反地解决问题，也就是，如何通过设计各种材料的属性来实现特定光路。”Liu Yongming和Zhang Xiang写道。因此，为了使用隐形斗篷隐藏物体，他们可以指定他们想要的光路来引导光，然后使用变换光学设计跟随这一光路的光所需的超材料。 

设计二维隐形斗篷需要绕过隐藏物体的光路；变换光学就被用来设计这样的超材料斗篷。变换光学同样可以用于设计制造各类镜头、光束旋转器、波束移位器以及光幻视所用的超材料结构单元。 

超材料建构块 

变换光学建构块基本上与其他超材料中用的亚波长单元相同。除了金属，还有电介质、金属-介质结构界面产生的表面等离子体激元。这些单元的尺寸和形状通过超材料期望的形变而变化。在可见光波段，单个单元必须小于400～700nm，或者某些超过固体中的1000原子宽。 

研究人员正在探索更多方向。金属的强磁反应可用于生产独特的交互作用，但是在近红外和可见光波段损失大。金属在光学和红外波段的反应有所不同。金属结构的共振效应能产生强交互作用，但效应峰值超出了限制范围。电介质能具备更多的宽带响应和更低的损耗。 

正在探索的各种可能性中，电介质纳米腔共振具有高折射率，这一性质能提供比金属更低的损耗，比真空波长更小的尺度。比如， Valencia理工学院的Lei Shi及其同事（马德里，西班牙）研究了小至250纳米硅胶的近红外共振。他们看好利用空气和水等液体的超材料。 

平面超材料表面 

光学超材料体的制造已经遇到挑战，一些研究人员正在研究平面结构。“光学人工结构表面具有用表面局限、平面分量控制光的可能性，让人着迷。“Purdue 大学（BloomingTon, IN） 的Vladimir Shalaev和同事最近写道。”超材料表面促使新物理学和现象与三维结构对应的方面明显不同。它们还与片上纳米光子学兼容。 

这些超材料表面将薄金属和电介质图形沉积在一个基片上。其响应与体材料的反射和折射不一致，而且取决于亚波长层的光色散。至今为止，已经在包括红外波段的负折射表面天线阵列和光波段的平面手性效应等方面做过演示实验。超材料表面也在未使用体材料条件下产生了3D效应，Purdue团队希望他们也能控制光的相位、偏振和频率。 

Purdue团队写道，相变材料可以集成到平面半导体超材料表面以用于光开光、光束控制，脉冲整形或调制。他们还提出制造双曲线超材料表面的可能性，类似于通过金属和介电元件的交互产生强各项异性和双曲线色散来批量制造双曲线超材料。体材料版可以极明显改变光的行为，但存在损耗，很难制造。然而，Purdue团队认为准二维双曲线超材料表面损耗更低，能用于标准半导体技术。 

展望 

对开发光学超材料应用潜力而言，变换光学已成为功能强大的范例。Pendry写道“对电磁学来说，这种方法的关键好处是物理内涵，“，他预测，” 电磁理论中，变换光学将成为首选设计工具。“ 

面临的挑战可能和潜在的发展前景一样大。此时此刻，超材料革命正在全世界各个实验室的诸多研究方向进行。纳米结构的设计和制造需要新的突破。为制造超材料而用的最佳形状和原料方面尚未形成一致意见。应用领域也还不确定。象半个世纪前的激光一样，今天的超材料似乎成为了一种解决方案，正在寻找问题，但我们知道如何实现它。 

（唐宇 译自METAMATERIALS AND TRANSFORMATION OPTICS: Will transformation optics be the next optical revolution?  www.laserfocusworld.com， 2013-8-20， 付小芳 校）