基于超表面和零折射率材料的新型超薄透射隐身衣

Since Prof. J.B. Pendry and others proposed the concept of invisibility cloaks based on the theory of transformation optics, the cloaking technology has developed rapidly. The development includes the theories of carpet cloaks, cloaking at a distance, illusion optics, etc, and the experimental realization at the fields of microwave, infrared, and acoustics, etc. However, the principle of transformation optics relies on the spatially gradient media and this determines that the thickness of normal invisibility cloaks cannot be very thin, which is at about the same scale as the cloaked region. This restriction imposes great limit to the application of cloaking technology. In this project, we propose to realize an ultra-thin transmission invisibility cloaks based on meta-surface and zero-index materials. Since this scheme does not use spatially gradient media, the thickness of this cloak can be much smaller than the scale of the cloaked region, i.e. ultra-thin. We will apply both theoretical and experimental studies to verify this original idea. The research plan includes: 1. proposing the new theory of ultra-thin transmission invisibility cloaks and outbreaking the limit of transformation optics. 2. designing the microstructures needed for the meta-surface and zero-index materials. 3. constructing a real sample and verifying the novel functionality of the ultra-thin transmission invisibility cloak. This research will break the limit of transformation optics on the thickness of invisibility cloaks and lead to development of the cross field of cloaking, meta-surface and zero-index materials.

自从06年JB Pendry等提出了变换光学原理以及隐身衣的概念之后，隐身科技获得了迅猛的进展。其中包括了地毯式隐身衣、幻像光学等新理论的提出，以及在微波、红外等多个频段的实验验证。然而，变换光学对空间渐变介质的依赖性，决定了其原理设计出的隐身衣的厚度不可能做薄，而要求和被隐身空间具有相同的尺度。这个限制对隐身衣的应用产生了极大的阻碍。本项目拟提出并实现一种基于超表面和零折射率材料的新型超薄透射隐身衣。由于无需使用空间渐变介质，这种隐身衣的厚度可以远远小于被隐身空间的尺度，即是超薄的。我们将理论结合实验验证这个原创想法。具体内容包括：1，提出基于超表面和零折射率材料的超薄透射隐身衣理论；2，设计所需要的超表面和零折射率材料的微结构；3，构建实际样品，通过微波扫场实验验证超薄透射隐身衣的隐身功能。此研究将突破变换光学对隐身衣厚度的限制、并促进隐身、超表面和零折射率材料等领域的交叉创新和发展。

隐身是重要的电磁与光学领域。要实现各个方向上都无散射的新型隐身，传统的方法是变换光学。然而，变换光学隐身壳层要求在径向上材料参数渐变，因此无法实现超薄的隐身壳层。近年来，崔铁军，张翔等课题组基于反射型超表面设计了能将操控反射光，使之变为镜面反射的超薄隐身壳层。然而，这个工作原理却不能在透射上工作。我们的项目目标就是要进一步设计和实现基于超表面的超薄隐身壳层，即提出一种新原理将透射型隐身壳层的厚度降低。..通过4年的项目开展，我们基本上实现了这个目的。我们发现要实现超薄透射型隐身，就需要引入超表面之外的导光材料或结构。在这里，我们采用了具有隧穿效应的零折射率介质。通过一层超表面将光引入零折射率介质，然后隧穿至另一侧再由超表面调整辐射方向射出。我们通过数值模拟仿真和微波实验完美地验证了这个现象。我们证明了，这个新原理可以用于实现任意形状的隐身壳层。由于参数不需要在径向上渐变，因此可以将隐身壳层的厚度降至原来厚度的百分之一甚至更薄。..此外，我们还设计了任意角度（0-90度）入射无反射的超级透波材料，这种材料在隐身上可能也有重要应用。我们还发现将P-T对称的超表面和零折射率材料结合，也产生了一种可以隐藏内部杂质的机制。另外，传统的双零折射率材料是二维的，我们在近期将双零材料从二维推广到了三维，并发现了新的物理机制。..相关成果发表了Light Science & Applications 1篇，Physical Review Letters 2篇，Physical Review X 1篇，Nature Communications 1篇，Laser & Photonics Reviews 1篇，Optics Letters / Optical Express 4篇，Physical Review Applied/A/B/Materials 6篇，New Journal of Physics 2篇，Applied Physics Letters 1篇，等等。最后，还应邀在J. Opt. 上发表了变换光学和隐身的指引文章《Roadmap on transformation optics》。..通过这个项目，申请人总共以通讯作者发表了26篇相关的SCI论文，这些工作不仅提出了新物理机制，而且做了原理性实验验证，为今后的发展打下了基础。