蘇州大學(xué)賴(lài)耘教授和杭志宏教授課題組提出了超透明介質(zhì)的概念和設(shè)計(jì)方法，在理論和模擬上實(shí)現(xiàn)了在幾乎全角度范圍內(nèi)電磁波透射率大于99%的超透明效應(yīng)，并在微波波段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
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空氣、水、玻璃等都是常見(jiàn)的透明介質(zhì)。透明介質(zhì)是所有光學(xué)器件的基礎(chǔ)。正是由于透明介質(zhì)的存在，使得光波的能量與信息得以傳播，才造成了這個(gè)光影變幻的繽紛世界。
然而，自然界中的固體和液體，由于其密度遠(yuǎn)大于氣體，始終無(wú)法做到像真空或空氣一樣透明。經(jīng)典光學(xué)或電動(dòng)力學(xué)中的布儒斯特定律證明了，對(duì)一塊電介質(zhì)而言，只有當(dāng)入射電磁波為橫磁波，且入射角為某個(gè)特定角度，即布儒斯特角時(shí)，在電介質(zhì)表面上的反射才為零。在布儒斯特角，介質(zhì)的阻抗與空氣的阻抗剛好匹配。而對(duì)任何其他入射角，阻抗都不匹配，因此反射是不可避免的。即使添加了減反膜，也只能實(shí)現(xiàn)針對(duì)部分角度的反射減弱。
圖1 （a）電介質(zhì)的布儒斯特角；（b）超透明介質(zhì)的全角度阻抗匹配效應(yīng)；（c）超透明介質(zhì)平板的透射率隨入射角的變化曲線，其中插圖為超透明介質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖；（d）PRL封面報(bào)道。
為了解決上述阻抗不匹配問(wèn)題，蘇州大學(xué)賴(lài)耘教授和杭志宏教授課題組提出了超透明介質(zhì)（Ultratransparent media）的概念和設(shè)計(jì)方法。超透明介質(zhì)是一種具有特殊微納結(jié)構(gòu)的固體材料，它的有效介質(zhì)參數(shù)具有特殊的非局域性（即隨著入射角變化而變化），使得在所有的入射角上，都滿足布儒斯特角的完全阻抗匹配條件，因此對(duì)任何角度的入射光都不會(huì)引起反射。該研究成果以封面文章的形式發(fā)表在Physical Review Letters [117, 223901 (2016)]上，并被編輯選為推薦論文。
結(jié)合新發(fā)展的一套非局域性有效介質(zhì)理論，該課題組通過(guò)設(shè)計(jì)電介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)，在理論和模擬上實(shí)現(xiàn)了在（-89°，89°）角度范圍內(nèi)電磁波透射率大于99%的超透明介質(zhì)。這種固體材料在某個(gè)頻段上的透明程度超越了地球上已知的所有固體和液體介質(zhì)材料，幾乎達(dá)到了接近空氣的透明極限。該課題組設(shè)計(jì)的一個(gè)微波頻段的樣品為周期性排列的氧化鋁柱子（微波段介電常數(shù)為ε=8.5），在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了其在（-60°，60°）角度內(nèi)滿足完全阻抗匹配（即布儒斯特角條件）的超透明效應(yīng)。
除了寬角度阻抗匹配和無(wú)反射，超透明介質(zhì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是虛像沒(méi)有像差。普通介質(zhì)（例如玻璃）由于其空間色散和真空不匹配，會(huì)導(dǎo)致形成的虛像具有一定的像差，即虛像被模糊化，降低了清晰度。而超透明介質(zhì)可以設(shè)計(jì)其空間色散和真空完全匹配，從而避免了虛像像差的產(chǎn)生。
通過(guò)改變微納結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)超透明介質(zhì)的折射效果，同時(shí)保持寬角度的阻抗匹配和無(wú)反射。這為實(shí)現(xiàn)基于非局域性介質(zhì)的廣義變換光學(xué)打下了基礎(chǔ)。變換光學(xué)是隱身斗篷、幻像光學(xué)等奇異光學(xué)現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。一直以來(lái)，變換光學(xué)的理論被局限在局域性介質(zhì)的范疇之內(nèi)。由于局域性介質(zhì)的局限，很難在光頻段實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和無(wú)反射的變換光學(xué)應(yīng)用。而超透明介質(zhì)的提出則將變換光學(xué)推廣到非局域性介質(zhì)，從而提出了一個(gè)全新的思路和光頻解決方案。
更為有趣的是，通過(guò)進(jìn)一步的研究，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種超透明原理還可以推廣為在寬頻段內(nèi)工作和不依賴(lài)于光偏振的完全透明效應(yīng)，從而設(shè)計(jì)出覆蓋幾乎整個(gè)可見(jiàn)光頻段的寬頻、寬角度、偏振無(wú)關(guān)的新型超透明材料。其將可望應(yīng)用于包括新型無(wú)反射棱鏡與透鏡、太陽(yáng)能電池封裝、光學(xué)隱身在內(nèi)的諸多領(lǐng)域。由于超透明效應(yīng)是由微納結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的，因此通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的尺寸，可以自由調(diào)節(jié)透明的頻段，從而實(shí)現(xiàn)其他特種功能器件。例如，基于混凝土和塑料設(shè)計(jì)的、幾乎完全不阻擋手機(jī)和WiFi微波信號(hào)的電磁透明墻（發(fā)表于Optics Letters [41, 5106 (2016)]）,等等。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究正在進(jìn)行中。
上述工作的超透明介質(zhì)理論設(shè)計(jì)和廣義變換光學(xué)仿真部分主要由賴(lài)耘教授、羅杰助理研究員與姚忠琦同學(xué)完成。微波實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證主要由杭志宏教授和楊玉婷同學(xué)完成。
論文鏈接：
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.223901
https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-41-21-5106
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