[论文解读] Natural Light Cloaking for Aquatic and Terrestrial Creatures

Hongsheng Chen, Bin Zheng+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2013

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 22被引用 3

一句话总结

本文提出一种简化的、非相位保持的隐身斗篷，采用如光学玻璃等各向同性材料，在自然、非相干、非偏振光下隐藏大型生物体——如猫和金鱼。通过放弃对波前相位的保持需求，该方法实现了在空气中和水中的宽带、偏振无关隐身，实验上展示了在人眼视觉条件下动态、实时的隐身效果。

ABSTRACT

A cloak that can hide living creatures from sight is a common feature of mythology but still remains unrealized as a practical device. To preserve the phase of wave, the previous cloaking solution proposed by Pendry \emph{et al.} required transforming electromagnetic space around the hidden object in such a way that the rays bending around it have to travel much faster than those passing it by. The difficult phase preservation requirement is the main obstacle for building a broadband polarization insensitive cloak for large objects. Here, we suggest a simplifying version of Pendry's cloak by abolishing the requirement for phase preservation as irrelevant for observation in incoherent natural light with human eyes that are phase and polarization insensitive. This allows the cloak design to be made in large scale using commonly available materials and we successfully report cloaking living creatures, a cat and a fish, in front of human eyes.

研究动机与目标

• 克服变换光学隐身斗篷中相位保持的根本限制，该限制限制了宽带和大尺度隐身的实现。
• 实现在自然、非相干、非偏振光下对宏观活体生物的实际隐身斗篷应用。
• 通过使用常见各向同性材料而非复杂超材料或极端各向异性参数，简化斗篷设计。
• 在人眼视觉条件下，于陆地和水下环境中，实现对活体生物的动态、实时隐身。
• 将隐身性能从单向或单偏振场景扩展至多观察角度，使用易获取的材料。

提出的方法

• 放弃变换光学隐身中对相位保持的要求，理由是自然光和人眼视觉的非相干性与相位不敏感性。
• 设计一种简化斗篷，使用各向同性光学玻璃（n = 1.78），采用六边形或四向几何结构，引导光绕过隐藏物体。
• 将斗篷由六个或更多棱柱形玻璃件组成，排列于中空透明容器内，以最小化光学畸变和边缘效应。
• 使用动态背景（投影的自然景观，配合白炽灯照明）模拟真实环境，实时测试隐身性能。
• 在水下（鱼缸中注水）和陆地（办公室环境，使用空气）两种场景下进行实验，验证在自然光照下的性能。
• 录制视频影像，动态记录隐身效果，展示生物从观察者视野中“消失”，而背景保持可见。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自然光隐身中，是否可以安全地放弃相位保持，而不降低对人眼观察者的视觉隐身效果？
• RQ2 是否可能仅使用各向同性、常见材料（如光学玻璃）实现对大型活体生物的宽带、偏振无关隐身？
• RQ3 是否可通过具有非超光速相速度的简化斗篷设计，在自然光照下实现对宏观物体在多个观察方向的隐身？
• RQ4 在真实世界、动态环境中，非相位保持斗篷的性能与传统变换光学斗篷相比如何？
• RQ5 是否可使用易获取的材料和简单几何结构，将此类斗篷从单向扩展至多向操作？

主要发现

• 一条金鱼在注水鱼缸中成功被隐藏，斗篷由六个折射率 n = 1.78 的光学玻璃棱柱以六边形容器排列构成，在自然光下实现动态隐身。
• 一只家猫在空气中进入由相同玻璃材料制成的单向斗篷时，其头部和前肢从视野中“消失”，而背景保持可见，实现隐身。
• 斗篷在多个入射方向上有效工作——水下设置中为六个方向，陆地设置中为前后方向，无需偏振控制。
• 由于投影仪光线发散，观察到边缘阴影，但核心隐身效果依然稳健，蝴蝶在猫身后飞过时清晰可见于斗篷后方。
• 通过视频记录验证了隐身性能，显示生物在观察者视野中实时“消失”，证实该方法在动态真实应用中的可行性。
• 该方法通过利用自然光的非相干性及人眼对相位和偏振的不敏感性，成功绕过了对超光速相速度和极端材料参数的需求。