[论文解读] 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 12

一句话总结

本文展示了一种由具有空间变化密度的纳米硅结构制成的宽带光学隐身斗篷，通过变换光学技术设计，可操控光路。该斗篷成功隐藏了反射平面上的表面形变，使隐藏物体在光学照射下不可见。

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

研究动机与目标

• 利用纳米制造材料在可见光谱范围内实现光学隐身。
• 通过缩小至光学波长尺度，克服以往微波频段隐身斗篷的局限性。
• 设计一种可在宽频带内工作并隐藏表面不规则性的隐身斗篷。
• 在实际的纳米尺度超材料结构中实现变换光学原理。

提出的方法

• 利用变换光学推导出引导光绕过隐藏物体所需的等效折射率分布。
• 设计具有空间变化的硅纳米结构，以模拟所需的等效折射率分布。
• 采用纳米制造技术实现具有受控密度梯度的亚波长硅结构。
• 通过电磁仿真验证斗篷在光散射和传播方面的性能。
• 确保斗篷保持入射光的相位和方向，模拟自由空间传播。
• 通过优化纳米结构的几何形状和材料特性，实现宽带工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 变换光学原理是否可利用纳米尺度材料在光学频率下实现？
• RQ2 是否可能制造出一种可隐藏反射平面上表面形变的宽带光学隐身斗篷？
• RQ3 如何设计纳米尺度硅结构以产生隐身所需的等效折射率分布？
• RQ4 该斗篷在多大程度上保持了入射光的原始波前，从而确保隐身效果？
• RQ5 在光学照射下，该斗篷是否能避免显著散射或可检测的畸变而正常工作？

主要发现

• 在光学照射下，该斗篷成功隐藏了平坦反射表面上的形变，使外部观察者无法探测到。
• 该装置在宽频带内工作，表明其在多个光学频率下均具有鲁棒性能。
• 硅纳米结构的空间变化密度有效模拟了隐身所需的等效折射率分布。
• 入射光在斗篷上遵循与自由空间中完全相同的光路，保持相位和方向不变。
• 该设计证明了利用纳米硅结构实现光学隐身的可行性，推动了超越微波频段的实际应用。
• 结果验证了在光学领域使用工程化超材料实现变换光学应用的可行性。