蘇州大學賴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)計方法，在理論和模擬上實現(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)，并在微波波段進行了實驗驗證。
2017中國光學重要成果推薦
空氣、水、玻璃等都是常見的透明介質(zhì)。透明介質(zhì)是所有光學器件的基礎(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，由于其密度遠大于氣體，始終無法做到像真空或空氣一樣透明。經(jīng)典光學或電動力學中的布儒斯特定律證明了，對一塊電介質(zhì)而言，只有當入射電磁波為橫磁波，且入射角為某個特定角度，即布儒斯特角時，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，也只能實現(xiàn)針對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封面報道。
為了解決上述阻抗不匹配問題，蘇州大學賴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，因此對任何角度的入射光都不會引起反射。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，該課題組通過設(shè)計電介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)，在理論和模擬上實現(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，幾乎達到了接近空氣的透明極限。該課題組設(shè)計的一個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），在實驗上驗證了其在（-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反射，超透明介質(zhì)的另一個優(yōu)點是虛像沒有像差。普通介質(zhì)（例如玻璃）由于其空間色散和真空不匹配，會導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，同時保持寬角度的阻抗匹配和無反射。這為實現(xiàn)基于非局域性介質(zhì)的廣義變換光學打下了基礎(chǔ)。變換光學是隱身斗篷、幻像光學等奇異光學現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。一直以來，變換光學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，很難在光頻段實現(xiàn)阻抗匹配和無反射的變換光學應(yīng)用。而超透明介質(zhì)的提出則將變換光學推廣到非局域性介質(zhì)，從而提出了一個全新的思路和光頻解決方案。
更為有趣的是，通過進一步的研究，該研究團隊發(fā)現(xiàn)這種超透明原理還可以推廣為在寬頻段內(nèi)工作和不依賴于光偏振的完全透明效應(yīng)，從而設(shè)計出覆蓋幾乎整個可見光頻段的寬頻、寬角度、偏振無關(guān)的新型超透明材料。其將可望應(yīng)用于包括新型無反射棱鏡與透鏡、太陽能電池封裝、光學隱身在內(nèi)的諸多領(lǐng)域。由于超透明效應(yīng)是由微納結(jié)構(gòu)所導致的，因此通過改變結(jié)構(gòu)的尺寸，可以自由調(diào)節(jié)透明的頻段，從而實現(xiàn)其他特種功能器件。例如，基于混凝土和塑料設(shè)計的、幾乎完全不阻擋手機和WiFi微波信號的電磁透明墻（發(fā)表于Optics Letters [41, 5106 (2016)]）,等等。相關(guān)實驗研究正在進行中。
上述工作的超透明介質(zhì)理論設(shè)計和廣義變換光學仿真部分主要由賴耘教授、羅杰助理研究員與姚忠琦同學完成。微波實驗驗證主要由杭志宏教授和楊玉婷同學完成。
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
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導讀
關(guān)注我們
