光學(xué)隱身超材料技術(shù)研究進(jìn)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(jìn)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(hù)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(hù)、生存和發(fā)展的重要方向之一。由于探測技術(shù)的不斷進(jìn)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(jìn)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(diǎn)之一。

超材料是一種由亞波長量級的人工“類原子”進(jìn)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(jì)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(jì)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(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)、負(fù)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(dá)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(dòng)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(xué)隱身的概念

電磁波可以和不同材料發(fā)生相互作用。當(dāng)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(dá)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(gè)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(shí)現(xiàn)對物體的光學(xué)隱身。

20世紀(jì)已經(jīng)開始了光學(xué)隱身相關(guān)問題的研究。例如，設(shè)計(jì)內(nèi)外兩層共焦點(diǎn)的橢圓結(jié)構(gòu)，當(dāng)其介電常數(shù)滿足一定關(guān)系時(shí)，對電磁波的散射可以相消，使得該物體不可見；當(dāng)電荷分布滿足一定條件時(shí)，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(shí)諧電磁波輻射，它的源是非唯一的。這些研究提出的光學(xué)隱身方案理論上有實(shí)現(xiàn)的可能性。近年來，超構(gòu)材料的研究為光學(xué)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(dú)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(shí)現(xiàn)一些有趣的效應(yīng)，如負(fù)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(xué)隱身技術(shù)有了更進(jìn)一步的發(fā)展。

3 超材料的概念

超材料（metamaterial）是20世紀(jì)末21世紀(jì)初物理學(xué)、材料學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)新學(xué)術(shù)名詞，“meta”為拉丁語，具有“超出”的意思。目前學(xué)術(shù)界一般認(rèn)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(shí)為負(fù)的左手材料（double-negativematerials），也包括介電常數(shù)和磁導(dǎo)率單獨(dú)為負(fù)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(jì)和加工來實(shí)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(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等，所以超材料研究是一項(xiàng)新興的交叉學(xué)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(jì)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(rèn)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(jì)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(qiáng)功能

超材料通過人工參數(shù)設(shè)計(jì)和制備實(shí)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(xué)、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(xué)器件集成化，小型化提供便利，其表面厚度更薄，可設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)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(biāo)表面涂覆的可以吸收雷達(dá)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(jìn)復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，將吸收劑分散在特種纖維增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料中而形成的復(fù)合材料，適用于吸收雷達(dá)波，同時(shí)具有良好承載力學(xué)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(jì)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(shí)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(xué)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(xué)（TransformationOptics）理論以及利用該理論實(shí)現(xiàn)隱身衣設(shè)計(jì)的構(gòu)想。由于麥克斯韋方程在坐標(biāo)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(gè)與電磁波完全隔離的實(shí)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(gè)構(gòu)造出的物理空間，如圖2所示。由于電磁波不能夠進(jìn)人這個(gè)物理空間，因此這個(gè)物理空間內(nèi)放置的任意目標(biāo)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(jìn)行識別，從而實(shí)現(xiàn)完美隱身。超構(gòu)材料對本構(gòu)參數(shù)的強(qiáng)大調(diào)控能力，為這種變換光學(xué)隱身衣實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。

圖2變換光學(xué)隱身衣的工作原理

2006年底，美國杜克大學(xué)的Smith教授課題組首次在微波波段設(shè)計(jì)出了基于變換光學(xué)的柱狀隱身衣，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)這類超材料隱身衣。

圖3微波頻段首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的變換光學(xué)隱身衣實(shí)物照片

為了簡化變換光學(xué)隱身衣的設(shè)計(jì)及其實(shí)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(xué)加以改進(jìn)，引入準(zhǔn)共形映射的方法，通過選取合適的坐標(biāo)變換，使隱身衣所需的電磁本構(gòu)參數(shù)的各向異性達(dá)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(shí)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(zhǔn)共形映射法設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)完美隱藏。2009年，美國杜克大學(xué)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這類基于準(zhǔn)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(shí)物照片如圖5所示。2010年，東南大學(xué)的崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)首次在微波波段實(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)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(xué)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(biāo)物體時(shí)會發(fā)生散射，如果能夠在目標(biāo)物體的散射場內(nèi)引入另一個(gè)與之反相的散射場，2個(gè)散射場疊加后將會相互抵消，整個(gè)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(gè)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(gè)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(biāo)。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(biāo)相反的偶極矩，二者的散射相互抵消，球狀介質(zhì)目標(biāo)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(shí)現(xiàn)散射的抑制，因此設(shè)計(jì)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(xué)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(xué)隱身對材料性能和加工工藝的嚴(yán)苛要求形成了鮮明對比。因此，這類隱身技術(shù)的物理實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難度大幅度降低。

圖6等離激元隱身衣的工作原理

在實(shí)驗(yàn)上，這類隱身材料可以通過設(shè)計(jì)等離激元超構(gòu)材料或超薄共形超構(gòu)表面進(jìn)行實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(biāo)的外部沿徑向放置12個(gè)金屬平板，且保持相鄰金屬平板之間的距離相等。將這12個(gè)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(diǎn)1.93GHz 處構(gòu)造出一個(gè)等效介電常數(shù) εr=-22 的等離激元隱身衣（PlasmonicCloak），如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載了該隱身材料的柱狀介質(zhì)目標(biāo)（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(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

與等離激元隱身相似，覆罩式隱身（MantleCloak）也是通過抵消目標(biāo)散射場的主要散射項(xiàng)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(jì)這層阻抗表面的平均表面阻抗，該阻抗表面被激勵(lì)起的表面感應(yīng)電流能夠產(chǎn)生與目標(biāo)相反的散射場，從而實(shí)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(biāo)/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(shí)際應(yīng)用潛力和價(jià)值。

圖8覆罩式隱身衣的實(shí)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(xué)屈紹波教授課題組進(jìn)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(shí)現(xiàn)方案。該隱身衣的諧振單元可以等效為一個(gè)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(jì)并仿真驗(yàn)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(biāo)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(diǎn)，促進(jìn)了超表面隱身的發(fā)展。通過合理設(shè)計(jì)超表面的單元結(jié)構(gòu)以及相位分布，可以實(shí)現(xiàn)對相位型超表面散射的有效調(diào)控，達(dá)到“隱身”的目的[10]

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

2013年，東南大學(xué)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(jìn)行了仿真驗(yàn)證[]。2015年，美國加州大學(xué)伯克利分校的張翔教授課題組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)納米天線的結(jié)構(gòu)和排布，覆蓋在凸起目標(biāo)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(shí)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(shí)現(xiàn)這一期待提供了可能性。2018年，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的羅先剛院士課題組首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)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(gè)預(yù)期狀態(tài)，生成不同物體的電磁圖像，達(dá)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(xué)陳紅勝教授課題組設(shè)計(jì)出了一款能夠迅速根據(jù)背景環(huán)境和來波模式進(jìn)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(jìn)行結(jié)合，在沒有任何人為干預(yù)的情況下，能夠根據(jù)動(dòng)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(shí)時(shí)重構(gòu)出與背景一致的散射場。

5結(jié)語

近幾十年，光學(xué)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(xué)隱身技術(shù)提供了切實(shí)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(diǎn)，但顯然任何超材料隱身技術(shù)都難以同時(shí)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(diǎn)。此外，新興作戰(zhàn)平臺上的雷達(dá)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(qiáng)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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