[論文レビュー] Cloaking at Optical Frequencies

Lucas H. Gabrielli, Jaime Cárdenas+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2009

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 29被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、空間的に変化する密度を有するナノスケールシリコン構造を用いた帯域幅広い光的クローキングを実証している。変換光学を用いて光の経路を制御し、反射面の表面の不規則な形状を隠蔽することで、光学照射下でも隠された物体が検出不能になることを示している。

ABSTRACT

1 The ability of rendering objects invisible using a cloak – not detectable by an external observer – for concealing objects has been a tantalizing goal 1-6. Here, we demonstrate a cloak operating in the optical regime. The cloak operates at a wide bandwidth and conceals a deformation on a flat reflecting surface, under which an object can be hidden. The device is composed of nanometer size silicon structures with spatially varying densities across the cloak. The density variation is defined using transformation optics to define the effective index distribution of the cloak. The prospect of optical cloaking has recently become a topic of considerable interest. Through the use of transformation optics 7-11, in which a coordinate transformation is applied to Maxwell’s equations, several designs for such a device were created 12-23. These designs are based on the idea of manipulating the structure of the cloaking medium so that the trajectory of light after interacting with the cloak is the same as that in an empty medium, without the cloak nor the object underneath. The external observer is therefore unaware of the presence of the cloak and the object. Such cloaks were recently experimentally demonstrated in the microwave regime using metamaterial structures with feature sizes in the millimeter to centimeter scale 24-25. Pushing this

研究の動機と目的

• ナノファブリケーション材料を用いて可視光帯域で光的クローキングを達成すること。
• マイクロ波周波数のクローキングに限界があったのを克服し、光波長スケールにまで縮小すること。
• 広帯域で動作し、表面の不規則性を隠蔽できるクローキングを設計すること。
• 実用的でナノスケールのメタマテリアル構造において変換光学の原則を実装すること。

提案手法

• 光が隠された物体の周囲を曲げるようにするための有効屈折率分布を、変換光学を用いて導出する。
• 所望の有効屈折率プロファイルを模倣するために、空間的に変化するシリコンナノ構造を設計する。
• 密度勾配を制御できるように、波長未満のシリコン構造をナノファブリケーション技術で実現する。
• 光の散乱と伝搬の電磁気的シミュレーションを通じて、クローキングの性能を検証する。
• 入射光の位相と進行方向を保持し、自由空間伝搬を模倣するようにする。
• ナノ構造の幾何形状と材料特性を最適化することで、広帯域動作を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールの材料を用いて、可視周波数帯で変換光学の原則を実用的に実装できるか？
• RQ2 反射面の表面の不規則性を隠蔽できる帯域幅広い光的クローキングを作成することは可能か？
• RQ3 ナノスケールのシリコン構造をどのように設計すれば、クローキングに必要な有効屈折率分布を実現できるか？
• RQ4 クローキングは、元の波面をどの程度保持するか。これにより、完全な不可視性が達成されるか？
• RQ5 光学照射下において、散乱や検出可能な歪みが著しくない状態で、このようなクローキングが機能するか？

主な発見

• 光学照射下において、平らな反射面の不規則な形状が、外部観測者には検出不能になるように、クローキングが成功した。
• 装置は広帯域で動作しており、複数の光学周波数にわたり、安定した性能を示している。
• シリコンナノ構造の空間的密度変化が、クローキングに必要な有効屈折率分布を効果的に模倣している。
• 入射光は、自由空間と同一の経路に従い、位相と進行方向が保持されている。
• ナノスケールのシリコン構造を用いた光的クローキングの実現可能性が示され、マイクロ波領域を超えた実用的実装の前進が達成された。
• 結果として、設計されたメタマテリアルを用いた光学領域における変換光学の応用が妥当であることが裏付けられた。