基于变换光学：在自由空间实现理想的全向隐形斗篷

浙江大学叶德信教授、陈红胜教授和南洋理工大学Yu Luo教授领导的团队开展了全参数变换光学器件的实用化研究。研究团队基于线性变换光学和全向匹配透明超材料的构成理论，设计并实现了一种全参数全向隐形斗篷，能够在自由空间中隐藏大型物体。

该研究成果以《全参数全向变换光学器件》为题发表在《国家科学评论》上，浙江大学Yuan Gao博士为第一作者，Yu Luo教授、陈红胜教授和叶德信教授为通讯作者。

2006 年，英国伦敦帝国理工学院的 Pendry 教授提出了变换光学，描述了电磁波传播路径与材料构成参数之间的对应关系，为控制电磁波提供了一种通用而强大的方法。

近十年来，变换光学得到了飞速发展，人们通过变换光学设计出了各种新型光学设备，如隐形斗篷、电磁幻象设备和聚光器等。然而，变换光学介质的构成参数是各向异性的，而且通常不均匀或具有奇异值，因此难以实现。

例如，迄今为止通过实验实现的全向隐形斗篷总是对材料参数进行了一些简化。简化设计牺牲了阻抗匹配，从而降低了变换光学设备的性能。

为了解决这些问题，研究小组设计了一种基于线性变换光学的二维全参数全向平面隐形斗篷，它只由两种均质材料组成。第一种材料的构成参数是各向异性的，既有零值也有极值，沿光学方向传播的电磁波具有无限相位速度。

在自由空间中设计理想的全向斗篷。（a）基于线性变换光学元件的隐身设计。（b）实际斗篷的示意图。（c）模拟（I、II、III）和测量（IV、V、VI）隐身性能。

利用这种材料，电磁波可以绕过隐形区域，实现全向阻抗匹配和零相位延迟。第二种材料也具有各向异性的构成参数，可在全向阻抗匹配的情况下实现相位补偿，并且在光方向传播的电磁波具有亚腔相位速度。

在实验验证中，研究人员采用了这两种具有 TM 极化波全参数构成参数的材料。

第一种材料是利用具有法布里-佩罗共振的亚波长金属贴片阵列实现的，第二种材料则是利用传统的 I 型电谐振器和分环谐振器组成的结构实现的。

最后，研究人员测量了由前两种材料组成的全参数全向斗篷在不同角度的 TM 偏振波入射下周围的磁场，结果表明其具有出色的隐形性能。

这项研究首次展示了自由空间中的全参数全向隐形斗篷，它可以在任意入射光照下隐藏大型物体。实现的隐身衣可立即用于抑制雷达通信和双稳态探测中目标的散射截面。

这项研究提出的方法还对其他全参数变换光学设备的实际应用具有深远影响。

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