变换光学及其应用

三、变换光学的应用表现

(1)新型微波器件

变换光学在新型微波器件上的应用比较有代表性的就是隐身斗篷的设计。隐身斗篷也可以称为微波隐身斗篷，是利用纳米硅质材料(超材料的一种)对光线吸收或折射，进而达到让穿戴物体隐身的效果。微波隐身斗篷的物理效果得以实现，关键点就在于纳米硅质材料对原始光束传播的转变，曾有人形象的将微波隐身斗篷的物理原理比喻为河水(原始光束)绕过鹅卵石(纳米硅质材料)，这也是变换光学在学术界立足的研究定点。

另外，随着国内外众多专家对隐身斗篷的研究不断深入，人们发现关系到隐身斗篷成败的超材料不再局限于纳米硅质。单质黄金、导电银和氟化镁叠合物等材料都具备实现隐身斗篷物理效果的能力。只是受限于原材料的成本过于高昂，此项技术研究仍在进行中。

相信在不久的将来，适合制造隐身斗篷的超材料会被研制出来，并将变换光学技术大量应用到纳米成像、半导体工业、军事建设等领域中去。

(2)表面等离子体激元器件

实际上，表面等离子体积元是在金属表面发生的一种电磁振荡现象，是金属内部自由电子和光子相互作用形成的结果。其基本原理是，电磁波在传播过程中接触到金属表面时会因为动力冲撞引起金属表层的自由电子产生集体震动，并且自动因子的电磁波和被动因子的自由电子在冲撞过程中会产生一种沿着金属表面传播的新型电磁波(垂直方向动力迅速衰减，甚至消失)。

变换光学在表面等离子体激元器件上的应用可以划分为两个方向：金属表面内部的光束传播控制和金属表面垂直方向的光束传播控制。其中，金属表面内部的光束传播控制是在等离子体激元的表层界面上进行原始光束传播的改变，但不改变等离子体激元垂直界面上的原始光束传播,比较有代表性的应用有面内隐身器件、改变光波宽度、改变光波方向、表面等离子体黑洞、分束器件等。与之相对，金属表面垂直方向的光束传播控制的物理原理是在等离子体激元的垂直界面上进行原始光束传播的改变，但不改变等离子体激元表层界面上的原始光束传播，比较有代表性的应用有解决金属介质表面的不平整情况。

(3)新型热力变换器件

严格来讲，变换光学在新型热力变换器件上的应用是一个“模仿”。在人们发现了变换光学的基本原理后，科学家们开始思考能否使用类似原理实现热力扩散上的传输变换。

经过多项实验认证，此想法是可行的，具有代表性的应用有热力集中器、旋转热场器、热力隐身斗篷等。但是，热力是以能量的形式存在，不像光波、磁场那样具有特定规律的传播轨道，所以，新型热力变换器件在热能传播方向人为控制上只能实现短时间的操作。例如，热能隐形斗篷只能在短时间内通过热力场改变影像呈现，而这种理想效果要长时间持续下去需要大量的辅助工具。

(4)多物理场隐身器件

变换光学在多物理场隐身器件上的应用并没有比新型微波隐形器件复杂多少，只是一个技术性的叠加。顾名思义，多物理场就是多个物理场的叠加，相互影响。上面讲述的新型微波隐形器件只是在超材料的作用下对原始光束进行手段单一的传输变换。但是，当多层次超导材料汇集成一个复杂的光束传输环境时，就达到了光束变换叠加的效果，其本质上还是利用单一的手段，只不过增加了特定变换次数，呈现出了更复杂、更稳定的光学物理现象。比较有代表性的应用有多物理场隐身仿真实验室、三维双层隐身斗篷等。

四、结语

从概念上来讲，变换光学不是一个特别复杂的定义，只是通过超材料达到了改变光束传播的目的;从分析角度来讲，变换光学是一个多元化的空间问题，牵扯到了光离子在传播途中位置和能量的变化，但适用于其原理研究的方法已经足够完善;从应用表现来讲变换光学的技术实现研究还处于初级阶段，由于材料和技术的限制，其科技应用实现之路可谓任重道远。