光學隱身超材料技術(shù)研究進展

Abstract：Inthecomplexbatlefieldenvironment，thedevelopmentofstealthtechnologyhasintensifiedthecompetitionof weaponsand equipmentamongcountries.Developing stealth technologyand improving thesurvival，airdefenseand depth strikecapabilityof weapon systems has becomean urgent needof thethree-dimensional modern war integrating land，sea， air，space and electromagnetic.This paper introduces the application backgroundand concepts ofoptical stealth and metamaterials.Startingfromthebasic working principle，several mainstreamimplementation methodsofoptical stealth metamaterialtechologyareitroducd，cldingtransfooticalsealthtchology，lasmapontealthchnology，ealthte nologybasedonmicrowave network theoryand phasemodulation type metamaterial surface stealth technology.Finaly，the development trend of optical stealth metamaterials isbriefly prospected.

Keywords：optical stealth；metamaterials；stealth technology；composites

1引言

近年來，隨著先進的偵查系統(tǒng)與精確打擊系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得近空間防護領(lǐng)域出現(xiàn)了“發(fā)現(xiàn)即被消滅”的現(xiàn)象。采用高隱身材料使對方探測、制導(dǎo)、偵查系統(tǒng)失去功效，盡可能地隱蔽自己，已經(jīng)成為近空間飛行器防護、生存和發(fā)展的重要方向之一。由于探測技術(shù)的不斷進步，傳統(tǒng)隱身技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求，迫切需要對隱身技術(shù)進行變革。各種新型材料的出現(xiàn)為人們提供了改善裝備隱身性能的新思路。近年來出現(xiàn)的超材料成為新型隱身材料研究的熱點之一。

超材料是一種由亞波長量級的人工“類原子”進行周期性或者非周期性排布而成的新型人工復(fù)合材料。通過設(shè)計單元的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸及排布方式，可以任意、靈活地調(diào)控這類材料的電磁參數(shù)，使設(shè)計出的超構(gòu)材料能夠展現(xiàn)出天然材料所不具備的特異電磁性質(zhì)，如負磁導(dǎo)率、負介電常數(shù)、負折射率等，從而極大地豐富了調(diào)控電磁波的手段和方法，在電磁隱身、電磁隔離與雷達探測等微波頻段的熱門領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，并推動了微波器件的小型化、集成化、共形化、數(shù)字化和智能化發(fā)展。

2 光學隱身的概念

電磁波可以和不同材料發(fā)生相互作用。當電磁波入射到物體表面，物體反射或散射一部分電磁波，這部分電磁波會被儀器檢測到或被眼睛看到。例如，雷達系統(tǒng)就是通過探測未知物體的反射和散射光來發(fā)現(xiàn)。如果要使物體完全隱身，就需要抵消其散射光，使電磁波在經(jīng)過物體后的傳播和通過同等體積自由空間的傳播是一樣的。這就意味著需要把物體放置在一個合適的系統(tǒng)中，調(diào)制電磁波和物體的相互作用，抵消物體的散射信號，實現(xiàn)對物體的光學隱身。

20世紀已經(jīng)開始了光學隱身相關(guān)問題的研究。例如，設(shè)計內(nèi)外兩層共焦點的橢圓結(jié)構(gòu)，當其介電常數(shù)滿足一定關(guān)系時，對電磁波的散射可以相消，使得該物體不可見；當電荷分布滿足一定條件時，物體振蕩可以沒有電磁波輻射；在天線附近放置金屬圓柱結(jié)構(gòu)可以減小其旁瓣輻射和損耗；對于球?qū)ΨQ的時諧電磁波輻射，它的源是非唯一的。這些研究提出的光學隱身方案理論上有實現(xiàn)的可能性。近年來，超構(gòu)材料的研究為光學隱身的發(fā)展帶來了技術(shù)上的突破。超構(gòu)材料通過把單獨的散射體作為人工原子組合在一起，可以與電磁波發(fā)生相互作用。這樣就可以獲得自然界中不存在的材料參數(shù)。超構(gòu)材料可以用于實現(xiàn)一些有趣的效應(yīng)，如負折射、空間局域和亞波長的聚焦、自發(fā)輻射的控制等。由于超構(gòu)材料具有對電磁波調(diào)控的優(yōu)越性能，也使得光學隱身技術(shù)有了更進一步的發(fā)展。

3 超材料的概念

超材料（metamaterial）是20世紀末21世紀初物理學、材料學和電磁學領(lǐng)域出現(xiàn)的一個新學術(shù)名詞，“meta”為拉丁語，具有“超出”的意思。目前學術(shù)界一般認為，超材料是由亞波長人工微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的、具有自然材料所不具備的物理特性的復(fù)合結(jié)構(gòu)或材料。

超材料的范疇除了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負的左手材料（double-negativematerials），也包括介電常數(shù)和磁導(dǎo)率單獨為負或介于0～1的材料，甚至還包括光子晶體、高阻抗表面等人工電磁結(jié)構(gòu)。目前，超材料相關(guān)技術(shù)已經(jīng)被美國列為未來六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一。

3.1 超材料

超材料是通過人造微結(jié)構(gòu)（“人造原子”，如圖1所示）的設(shè)計和加工來實現(xiàn)對電磁場、聲波、光波等的控制，其性質(zhì)主要源于其單元結(jié)構(gòu)而非組成的材料；由于涉及電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學、經(jīng)典光學、材料科學、半導(dǎo)體科學以及納米科技等，所以超材料研究是一項新興的交叉學科。

傳統(tǒng)上的物體特性依賴于天然存在的材料，而超材料是逆向設(shè)計的，是針對具體應(yīng)用需求人工制造出具有特殊功能的材料或結(jié)構(gòu)。通常認為其主要特征有：

（1）超常結(jié)構(gòu)

超材料由大量亞波長微單元構(gòu)成，具有新穎的復(fù)雜人工結(jié)構(gòu)及排布，可設(shè)計出具有可控的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，自由調(diào)控電磁波，其性質(zhì)往往不取決于材料自身原有的基本性質(zhì)，而取決于其復(fù)雜的人工結(jié)構(gòu)。

（2）超奇特性

超材料具有奇特的物理性質(zhì)（往往是自然界中的材料不具備的），可以按人工要求方式控制電磁波、聲波和光波。

（3）超強功能

超材料通過人工參數(shù)設(shè)計和制備實現(xiàn)無回波繞

射隱身、反常反射等前所未有的功能及其組合。相關(guān)研究指出，超材料可能呈現(xiàn)出完美隱身、電磁黑洞、幻覺光學、完美透鏡等奇特物理現(xiàn)象。

3.2超表面與表面等離激元

超表面是超材料的平面版本，由平面亞波長單元構(gòu)成，這些單元具有可控的相移。和超材料相比，超表面不僅了突破了傳統(tǒng)材料電磁屬性，其二維平面結(jié)構(gòu)還克服超材料三維結(jié)構(gòu)加工難度大等問題，為納米光學器件集成化，小型化提供便利，其表面厚度更薄，可設(shè)計實現(xiàn)較薄的隱身材料。

表面等離激元是電磁波與材料中電子相互耦合激發(fā)的一種高度表面局域化的混合電磁模式，在材料內(nèi)部表現(xiàn)為電子振蕩，在材料外部表現(xiàn)為高度局域化的表面波。利用表面等離激元原理結(jié)合超表面可以設(shè)計超薄的隱身材料。

3.3 與傳統(tǒng)隱身材料的區(qū)別

超材料不受限于自然材料參數(shù)和功能的限制。按照隱身材料是否參與結(jié)構(gòu)承力，隱身材料可分為涂覆型材料和結(jié)構(gòu)型材料。例如，涂覆型吸波材料是在目標表面涂覆的可以吸收雷達波的涂層，一般由粘結(jié)劑與金屬合金粉末、鐵氧體、導(dǎo)電纖維等吸收劑混合而成。而結(jié)構(gòu)型吸波材料是在先進復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，將吸收劑分散在特種纖維增強的結(jié)構(gòu)材料中而形成的復(fù)合材料，適用于吸收雷達波，同時具有良好承載力學性能的多層梯度功能材料。相比傳統(tǒng)隱身材料，超材料是依據(jù)新穎的材料設(shè)計思路，突破多種材料的物理結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的自然規(guī)律的限制，獲得自然界材料所不具備的超常的物理。超材料通過原子的有序排列和有序調(diào)節(jié)，使得晶體材料顯示出一些無定型態(tài)所不具備的物理特征，這類似于自然界中存在的晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)。超材料也可以理解為人為通過各種層次的有序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對各種物理量的調(diào)制，從而獲得自然界中在該層次上無序或無結(jié)構(gòu)的材料所不具備的物理性質(zhì)的材料。

4超材料隱身技術(shù)

4.1基于變換光學的超材料隱身技術(shù)

2006年初，Pendry等[在《Science》上發(fā)文，首次提出了基于超材料的變換光學（TransformationOptics）理論以及利用該理論實現(xiàn)隱身衣設(shè)計的構(gòu)想。由于麥克斯韋方程在坐標變換后可以保持形式不變，Pendry教授提出了通過合理構(gòu)建變換媒質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)來有效調(diào)控電磁波傳播路徑的方法。該方法可以構(gòu)造出一個與電磁波完全隔離的實際物理空間，使入射電磁波能夠如流水流過石頭一般，平滑地繞過這個構(gòu)造出的物理空間，如圖2所示。由于電磁波不能夠進人這個物理空間，因此這個物理空間內(nèi)放置的任意目標物體都將處于電磁屏蔽的狀態(tài)，外部電磁探測器無法對該區(qū)域內(nèi)的物體進行識別，從而實現(xiàn)完美隱身。超構(gòu)材料對本構(gòu)參數(shù)的強大調(diào)控能力，為這種變換光學隱身衣實驗的實現(xiàn)提供了可能性。

圖2變換光學隱身衣的工作原理

2006年底，美國杜克大學的Smith教授課題組首次在微波波段設(shè)計出了基于變換光學的柱狀隱身衣，并對其進行了實驗驗證[2]。該隱身衣如圖3所示，它所使用的超材料是由開口環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)周期排布而成。通過調(diào)節(jié)開口環(huán)諧振器的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸，可以自由調(diào)控超材料的等效電磁參數(shù)，從而實現(xiàn)這類超材料隱身衣。

圖3微波頻段首次實驗實現(xiàn)的變換光學隱身衣實物照片

為了簡化變換光學隱身衣的設(shè)計及其實現(xiàn)方式，Pendry教授課題組于2008年提出了毯式隱身衣（CarpetCloak）的概念[3]。對傳統(tǒng)的變換光學加以改進，引入準共形映射的方法，通過選取合適的坐標變換，使隱身衣所需的電磁本構(gòu)參數(shù)的各向異性達到最小化。研究發(fā)現(xiàn)，僅需使用純介質(zhì)材料以及合理的介電常數(shù)值就可以實現(xiàn)一些特定的變換媒質(zhì)，且這種變換在光頻段內(nèi)可以具有較寬的工作帶寬。毯式隱身衣的工作原理如圖4所示，將準共形映射法設(shè)計出的毯式隱身衣覆蓋在反射面上形狀不規(guī)則的凸起物上，可以使這塊被覆蓋的凸起區(qū)域在電磁波的照射下呈現(xiàn)出完全平坦的效果，以此對“地毯”下方的任何物體實現(xiàn)完美隱藏。2009年，美國杜克大學Smith課題組利用非諧振的工字型構(gòu)成的超構(gòu)材料，首次在微波波段實驗驗證了這類基于準共形映射方法的寬頻帶地毯式隱身衣的可行

性[4]，微波頻段毯式隱身衣的實物照片如圖5所示。2010年，東南大學的崔鐵軍院士團隊首次在微波波段實驗實現(xiàn)了三維地毯式隱身衣[5]

圖4毯式隱身衣的工作原理

圖5微波頻段毯式隱身衣的實物照片

4.2等離激元隱身及覆罩式隱身技術(shù)

散射相消（ScatteringCancellation）的方法最初由美國賓夕法尼亞大學的Enghta教授課題組于2005年提出[6。其中心思想是：電磁波入射到任意目標物體時會發(fā)生散射，如果能夠在目標物體的散射場內(nèi)引入另一個與之反相的散射場，2個散射場疊加后將會相互抵消，整個系統(tǒng)的總散射從而得到抑制。等離激元隱身衣的工作原理如圖6所示，Enghta教授課題組用一個較小介電常數(shù)（介電常數(shù)小于周圍介質(zhì)）的等離子體球形外殼包裹一個較大介電常數(shù)（介電常數(shù)大于周圍介質(zhì)）的球狀介質(zhì)目標。在TM極化平面波入射的條件下，通過調(diào)控等離子球形外殼的直徑，可以使等離子體球形外殼感應(yīng)出與球狀介質(zhì)目標相反的偶極矩，二者的散射相互抵消，球狀介質(zhì)目標的總散射截面積因而可以接近于0。由于這種隱身技術(shù)是利用隱身器件本身固有的非諧振特性來實現(xiàn)散射的抑制，因此設(shè)計出的隱身材料性能通常魯棒性較好，工作帶寬也比變換光學隱身更寬。此外，構(gòu)建這類隱身材料采用的是均勻且各向同性的材料，這與變換光學隱身對材料性能和加工工藝的嚴苛要求形成了鮮明對比。因此，這類隱身技術(shù)的物理實現(xiàn)和實驗驗證難度大幅度降低。

圖6等離激元隱身衣的工作原理

在實驗上，這類隱身材料可以通過設(shè)計等離激元超構(gòu)材料或超薄共形超構(gòu)表面進行實現(xiàn)。2009年，Enghta教授課題組首次在微波段用等離激元超構(gòu)材料實驗驗證了這種基于散射相消原理的隱身技術(shù)在微波波段的可行性[7]。他們在柱狀目標的外部沿徑向放置12個金屬平板，且保持相鄰金屬平板之間的距離相等。將這12個金屬平板浸泡在相對介電常數(shù) ε=21 的丙酮中，就可以在工作頻點1.93GHz 處構(gòu)造出一個等效介電常數(shù) εr=-22 的等離激元隱身衣（PlasmonicCloak），如圖7所示。實驗結(jié)果表明，加載了該隱身材料的柱狀介質(zhì)目標（介電常數(shù)為 ε=6 ）的總散射截面積縮減了約 75% 。

此后，科研人員們基于散射相消原理進一步開展了許多關(guān)于這類隱身技術(shù)的研究工作

圖7等離激元隱身衣在微波段的首次實驗驗證

與等離激元隱身相似，覆罩式隱身（MantleCloak）也是通過抵消目標散射場的主要散射項來抑制總散射場。不同之處在于，覆罩式隱身采用的不是能夠感應(yīng)出反相偶極矩的等離子體球體外殼，而是一層超薄的阻抗表面，如圖8所示[8]。通過合理設(shè)計這層阻抗表面的平均表面阻抗，該阻抗表面被激勵起的表面感應(yīng)電流能夠產(chǎn)生與目標相反的散射場，從而實現(xiàn)散射相消。這種隱身技術(shù)的優(yōu)勢在于：質(zhì)量小、厚度超薄、易于共形且方便加工制備等。此外，由于入射電磁波能夠穿透這類隱身材料，因此，位于其內(nèi)部的目標/傳感器可以在不被探測器發(fā)現(xiàn)的情況下，保持與外部信號的正常通信。這些特性使這類覆罩式隱身材料在抗干擾通信、傳感和非侵入探測等許多領(lǐng)域中展現(xiàn)了良好的實際應(yīng)用潛力和價值。

圖8覆罩式隱身衣的實現(xiàn)形式舉例

4.3基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的隱身技術(shù)

為了降低低散射器的整體厚度，空軍工程大學屈紹波教授課題組進一步提出了一種基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的超薄電磁隱身衣的實現(xiàn)方案。該隱身衣的諧振單元可以等效為一個三端口微波網(wǎng)絡(luò)，如圖9所示。在電磁波正入射的情況下，單元可以通過端口3有效地將入射電磁波耦合至兩側(cè)微帶線上的端口1和端口2，而端口1和端口2能夠?qū)⒔邮盏降碾姶拍芰垦刂Ь€傳輸至相鄰的單元中，直至最終重新將電磁波耦合至前向空間。通過該方法，屈紹波教授課題組設(shè)計并仿真驗證了一款超薄柱狀低散射器（厚度僅為 0.025λ ）[9]。該方案雖然不能夠?qū)崿F(xiàn)完美的隱身效果，但可以有效地降低目標的總散射。

4.4基于相位調(diào)制超表面的隱身技術(shù)

超表面的出現(xiàn)為調(diào)控電磁波提供了一條新的途徑。它具有深亞波長的厚度、靈活調(diào)控電磁波的能力、較低的損耗、易于共形、制備、和集成等特點，促進了超表面隱身的發(fā)展。通過合理設(shè)計超表面的單元結(jié)構(gòu)以及相位分布，可以實現(xiàn)對相位型超表面散射的有效調(diào)控，達到“隱身”的目的[10]

圖9首個基于微波傳輸網(wǎng)絡(luò)理論實現(xiàn)的超薄隱身衣

2013年，東南大學的崔鐵軍院士課題組首次提出了超構(gòu)表面毯式隱身的想法，并在微波段對基于二維超表面的毯式隱身進行了仿真驗證[]。2015年，美國加州大學伯克利分校的張翔教授課題組實驗驗證了一種基于相位調(diào)制超構(gòu)表面的超薄毯式隱身[12]。該超構(gòu)表面隱身由亞波長的金納米天線構(gòu)成，它可以在 2π 范圍內(nèi)調(diào)控反射光波的相位，如圖10所示。通過精心設(shè)計納米天線的結(jié)構(gòu)和排布，覆蓋在凸起目標上的超薄超表面（厚度僅為80nm ，即0.11入）能夠成功模擬出金屬平板反射光波的相位分布，從而實現(xiàn)“地毯式隱身”。

圖10超薄超表面毯式隱身衣結(jié)構(gòu)

隨著隱身技術(shù)的迅猛發(fā)展，多變的人射波模式和外部環(huán)境對隱身裝置的性能提出了更高的要求。人們希望隱身裝置的工作不再局限于固定的來波模式或背景環(huán)境。有源超構(gòu)表面的不斷發(fā)展為實現(xiàn)這一期待提供了可能性。2018年，中國科學院光電技術(shù)研究所的羅先剛院士課題組首次實驗驗證了可實現(xiàn)動態(tài)幻覺調(diào)控的毯式超構(gòu)表面隱身[13]，如圖11所示。通過調(diào)節(jié)加載在超構(gòu)表面單元的變?nèi)荻O管的電壓，可以動態(tài)且連續(xù)地調(diào)控該超構(gòu)表面的反射相位，從而使散射波波前被重構(gòu)為多個預(yù)期狀態(tài)，生成不同物體的電磁圖像，達到電磁欺騙的目的。

圖11幻覺可重構(gòu)的毯式超表面隱身衣

2020年，浙江大學陳紅勝教授課題組設(shè)計出了一款能夠迅速根據(jù)背景環(huán)境和來波模式進行自適應(yīng)響應(yīng)的新一代智能毯式超表面隱身[14]。該超表面與人工智能算法進行結(jié)合，在沒有任何人為干預(yù)的情況下，能夠根據(jù)動態(tài)變化的人射波和背景環(huán)境自適應(yīng)地調(diào)整相位分布，實時重構(gòu)出與背景一致的散射場。

5結(jié)語

近幾十年，光學隱身技術(shù)的發(fā)展引起了人們的興趣，超材料的提出與發(fā)展為提升光學隱身技術(shù)提供了切實可行的新研究思路。理想的隱身材料應(yīng)具有超薄、寬帶、全極化、全向、易于制造、低損耗、低成本等特點，但顯然任何超材料隱身技術(shù)都難以同時滿足這些要求。在器件集成化、環(huán)境復(fù)雜化以及需求多樣化的趨勢下，現(xiàn)有的隱身技術(shù)仍然存在著許多關(guān)鍵技術(shù)問題和應(yīng)用難點。此外，新興作戰(zhàn)平臺上的雷達等射頻傳感器將以智能蒙皮的形態(tài)出現(xiàn)，復(fù)雜多變的電磁隱身環(huán)境對智能化的電磁隱身材料產(chǎn)生了強烈的需求。因而發(fā)展智能可調(diào)控的隱身技術(shù)以應(yīng)對復(fù)雜多變的來波模式、背景環(huán)境和應(yīng)用需求已然成為隱身技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。

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