光學隱身超材料技術研究進展

Abstract：Inthecomplexbatlefieldenvironment，thedevelopmentofstealthtechnologyhasintensifiedthecompetitionof weaponsand equipmentamongcountries.Developing stealth technologyand improving thesurvival，airdefenseand depth strikecapabilityof weapon systems has becomean urgent needof thethree-dimensional modern war integrating land，sea， air，space and electromagnetic.This paper introduces the application backgroundand concepts ofoptical stealth and metamaterials.Startingfromthebasic working principle，several mainstreamimplementation methodsofoptical stealth metamaterialtechologyareitroducd，cldingtransfooticalsealthtchology，lasmapontealthchnology，ealthte nologybasedonmicrowave network theoryand phasemodulation type metamaterial surface stealth technology.Finaly，the development trend of optical stealth metamaterials isbriefly prospected.

Keywords：optical stealth；metamaterials；stealth technology；composites

1引言

近年來，隨著先進的偵查系統與精確打擊系統的出現，使得近空間防護領域出現了“發現即被消滅”的現象。采用高隱身材料使對方探測、制導、偵查系統失去功效，盡可能地隱蔽自己，已經成為近空間飛行器防護、生存和發展的重要方向之一。由于探測技術的不斷進步，傳統隱身技術已經不能滿足要求，迫切需要對隱身技術進行變革。各種新型材料的出現為人們提供了改善裝備隱身性能的新思路。近年來出現的超材料成為新型隱身材料研究的熱點之一。

超材料是一種由亞波長量級的人工“類原子”進行周期性或者非周期性排布而成的新型人工復合材料。通過設計單元的幾何結構、尺寸及排布方式，可以任意、靈活地調控這類材料的電磁參數，使設計出的超構材料能夠展現出天然材料所不具備的特異電磁性質，如負磁導率、負介電常數、負折射率等，從而極大地豐富了調控電磁波的手段和方法，在電磁隱身、電磁隔離與雷達探測等微波頻段的熱門領域展現出了廣闊的應用前景，并推動了微波器件的小型化、集成化、共形化、數字化和智能化發展。

2 光學隱身的概念

電磁波可以和不同材料發生相互作用。當電磁波入射到物體表面，物體反射或散射一部分電磁波，這部分電磁波會被儀器檢測到或被眼睛看到。例如，雷達系統就是通過探測未知物體的反射和散射光來發現。如果要使物體完全隱身，就需要抵消其散射光，使電磁波在經過物體后的傳播和通過同等體積自由空間的傳播是一樣的。這就意味著需要把物體放置在一個合適的系統中，調制電磁波和物體的相互作用，抵消物體的散射信號，實現對物體的光學隱身。

20世紀已經開始了光學隱身相關問題的研究。例如，設計內外兩層共焦點的橢圓結構，當其介電常數滿足一定關系時，對電磁波的散射可以相消，使得該物體不可見；當電荷分布滿足一定條件時，物體振蕩可以沒有電磁波輻射；在天線附近放置金屬圓柱結構可以減小其旁瓣輻射和損耗；對于球對稱的時諧電磁波輻射，它的源是非唯一的。這些研究提出的光學隱身方案理論上有實現的可能性。近年來，超構材料的研究為光學隱身的發展帶來了技術上的突破。超構材料通過把單獨的散射體作為人工原子組合在一起，可以與電磁波發生相互作用。這樣就可以獲得自然界中不存在的材料參數。超構材料可以用于實現一些有趣的效應，如負折射、空間局域和亞波長的聚焦、自發輻射的控制等。由于超構材料具有對電磁波調控的優越性能，也使得光學隱身技術有了更進一步的發展。

3 超材料的概念

超材料（metamaterial）是20世紀末21世紀初物理學、材料學和電磁學領域出現的一個新學術名詞，“meta”為拉丁語，具有“超出”的意思。目前學術界一般認為，超材料是由亞波長人工微結構單元構成的、具有自然材料所不具備的物理特性的復合結構或材料。

超材料的范疇除了介電常數和磁導率同時為負的左手材料（double-negativematerials），也包括介電常數和磁導率單獨為負或介于0～1的材料，甚至還包括光子晶體、高阻抗表面等人工電磁結構。目前，超材料相關技術已經被美國列為未來六大顛覆性基礎研究領域之一。

3.1 超材料

超材料是通過人造微結構（“人造原子”，如圖1所示）的設計和加工來實現對電磁場、聲波、光波等的控制，其性質主要源于其單元結構而非組成的材料；由于涉及電子工程、凝聚態物理、微波、光電子學、經典光學、材料科學、半導體科學以及納米科技等，所以超材料研究是一項新興的交叉學科。

傳統上的物體特性依賴于天然存在的材料，而超材料是逆向設計的，是針對具體應用需求人工制造出具有特殊功能的材料或結構。通常認為其主要特征有：

（1）超常結構

超材料由大量亞波長微單元構成，具有新穎的復雜人工結構及排布，可設計出具有可控的等效介電常數和磁導率，自由調控電磁波，其性質往往不取決于材料自身原有的基本性質，而取決于其復雜的人工結構。

（2）超奇特性

超材料具有奇特的物理性質（往往是自然界中的材料不具備的），可以按人工要求方式控制電磁波、聲波和光波。

（3）超強功能

超材料通過人工參數設計和制備實現無回波繞

射隱身、反常反射等前所未有的功能及其組合。相關研究指出，超材料可能呈現出完美隱身、電磁黑洞、幻覺光學、完美透鏡等奇特物理現象。

3.2超表面與表面等離激元

超表面是超材料的平面版本，由平面亞波長單元構成，這些單元具有可控的相移。和超材料相比，超表面不僅了突破了傳統材料電磁屬性，其二維平面結構還克服超材料三維結構加工難度大等問題，為納米光學器件集成化，小型化提供便利，其表面厚度更薄，可設計實現較薄的隱身材料。

表面等離激元是電磁波與材料中電子相互耦合激發的一種高度表面局域化的混合電磁模式，在材料內部表現為電子振蕩，在材料外部表現為高度局域化的表面波。利用表面等離激元原理結合超表面可以設計超薄的隱身材料。

3.3 與傳統隱身材料的區別

超材料不受限于自然材料參數和功能的限制。按照隱身材料是否參與結構承力，隱身材料可分為涂覆型材料和結構型材料。例如，涂覆型吸波材料是在目標表面涂覆的可以吸收雷達波的涂層，一般由粘結劑與金屬合金粉末、鐵氧體、導電纖維等吸收劑混合而成。而結構型吸波材料是在先進復合材料的基礎上，將吸收劑分散在特種纖維增強的結構材料中而形成的復合材料，適用于吸收雷達波，同時具有良好承載力學性能的多層梯度功能材料。相比傳統隱身材料，超材料是依據新穎的材料設計思路，突破多種材料的物理結構表現出來的自然規律的限制，獲得自然界材料所不具備的超常的物理。超材料通過原子的有序排列和有序調節，使得晶體材料顯示出一些無定型態所不具備的物理特征，這類似于自然界中存在的晶體結構物質。超材料也可以理解為人為通過各種層次的有序結構實現對各種物理量的調制，從而獲得自然界中在該層次上無序或無結構的材料所不具備的物理性質的材料。

4超材料隱身技術

4.1基于變換光學的超材料隱身技術

2006年初，Pendry等[在《Science》上發文，首次提出了基于超材料的變換光學（TransformationOptics）理論以及利用該理論實現隱身衣設計的構想。由于麥克斯韋方程在坐標變換后可以保持形式不變，Pendry教授提出了通過合理構建變換媒質的本構參數來有效調控電磁波傳播路徑的方法。該方法可以構造出一個與電磁波完全隔離的實際物理空間，使入射電磁波能夠如流水流過石頭一般，平滑地繞過這個構造出的物理空間，如圖2所示。由于電磁波不能夠進人這個物理空間，因此這個物理空間內放置的任意目標物體都將處于電磁屏蔽的狀態，外部電磁探測器無法對該區域內的物體進行識別，從而實現完美隱身。超構材料對本構參數的強大調控能力，為這種變換光學隱身衣實驗的實現提供了可能性。

圖2變換光學隱身衣的工作原理

2006年底，美國杜克大學的Smith教授課題組首次在微波波段設計出了基于變換光學的柱狀隱身衣，并對其進行了實驗驗證[2]。該隱身衣如圖3所示，它所使用的超材料是由開口環諧振器結構周期排布而成。通過調節開口環諧振器的幾何結構與尺寸，可以自由調控超材料的等效電磁參數，從而實現這類超材料隱身衣。

圖3微波頻段首次實驗實現的變換光學隱身衣實物照片

為了簡化變換光學隱身衣的設計及其實現方式，Pendry教授課題組于2008年提出了毯式隱身衣（CarpetCloak）的概念[3]。對傳統的變換光學加以改進，引入準共形映射的方法，通過選取合適的坐標變換，使隱身衣所需的電磁本構參數的各向異性達到最小化。研究發現，僅需使用純介質材料以及合理的介電常數值就可以實現一些特定的變換媒質，且這種變換在光頻段內可以具有較寬的工作帶寬。毯式隱身衣的工作原理如圖4所示，將準共形映射法設計出的毯式隱身衣覆蓋在反射面上形狀不規則的凸起物上，可以使這塊被覆蓋的凸起區域在電磁波的照射下呈現出完全平坦的效果，以此對“地毯”下方的任何物體實現完美隱藏。2009年，美國杜克大學Smith課題組利用非諧振的工字型構成的超構材料，首次在微波波段實驗驗證了這類基于準共形映射方法的寬頻帶地毯式隱身衣的可行

性[4]，微波頻段毯式隱身衣的實物照片如圖5所示。2010年，東南大學的崔鐵軍院士團隊首次在微波波段實驗實現了三維地毯式隱身衣[5]

圖4毯式隱身衣的工作原理

圖5微波頻段毯式隱身衣的實物照片

4.2等離激元隱身及覆罩式隱身技術

散射相消（ScatteringCancellation）的方法最初由美國賓夕法尼亞大學的Enghta教授課題組于2005年提出[6。其中心思想是：電磁波入射到任意目標物體時會發生散射，如果能夠在目標物體的散射場內引入另一個與之反相的散射場，2個散射場疊加后將會相互抵消，整個系統的總散射從而得到抑制。等離激元隱身衣的工作原理如圖6所示，Enghta教授課題組用一個較小介電常數（介電常數小于周圍介質）的等離子體球形外殼包裹一個較大介電常數（介電常數大于周圍介質）的球狀介質目標。在TM極化平面波入射的條件下，通過調控等離子球形外殼的直徑，可以使等離子體球形外殼感應出與球狀介質目標相反的偶極矩，二者的散射相互抵消，球狀介質目標的總散射截面積因而可以接近于0。由于這種隱身技術是利用隱身器件本身固有的非諧振特性來實現散射的抑制，因此設計出的隱身材料性能通常魯棒性較好，工作帶寬也比變換光學隱身更寬。此外，構建這類隱身材料采用的是均勻且各向同性的材料，這與變換光學隱身對材料性能和加工工藝的嚴苛要求形成了鮮明對比。因此，這類隱身技術的物理實現和實驗驗證難度大幅度降低。

圖6等離激元隱身衣的工作原理

在實驗上，這類隱身材料可以通過設計等離激元超構材料或超薄共形超構表面進行實現。2009年，Enghta教授課題組首次在微波段用等離激元超構材料實驗驗證了這種基于散射相消原理的隱身技術在微波波段的可行性[7]。他們在柱狀目標的外部沿徑向放置12個金屬平板，且保持相鄰金屬平板之間的距離相等。將這12個金屬平板浸泡在相對介電常數 ε=21 的丙酮中，就可以在工作頻點1.93GHz 處構造出一個等效介電常數 εr=-22 的等離激元隱身衣（PlasmonicCloak），如圖7所示。實驗結果表明，加載了該隱身材料的柱狀介質目標（介電常數為 ε=6 ）的總散射截面積縮減了約 75% 。

此后，科研人員們基于散射相消原理進一步開展了許多關于這類隱身技術的研究工作

圖7等離激元隱身衣在微波段的首次實驗驗證

與等離激元隱身相似，覆罩式隱身（MantleCloak）也是通過抵消目標散射場的主要散射項來抑制總散射場。不同之處在于，覆罩式隱身采用的不是能夠感應出反相偶極矩的等離子體球體外殼，而是一層超薄的阻抗表面，如圖8所示[8]。通過合理設計這層阻抗表面的平均表面阻抗，該阻抗表面被激勵起的表面感應電流能夠產生與目標相反的散射場，從而實現散射相消。這種隱身技術的優勢在于：質量小、厚度超薄、易于共形且方便加工制備等。此外，由于入射電磁波能夠穿透這類隱身材料，因此，位于其內部的目標/傳感器可以在不被探測器發現的情況下，保持與外部信號的正常通信。這些特性使這類覆罩式隱身材料在抗干擾通信、傳感和非侵入探測等許多領域中展現了良好的實際應用潛力和價值。

圖8覆罩式隱身衣的實現形式舉例

4.3基于微波網絡理論的隱身技術

為了降低低散射器的整體厚度，空軍工程大學屈紹波教授課題組進一步提出了一種基于微波網絡理論的超薄電磁隱身衣的實現方案。該隱身衣的諧振單元可以等效為一個三端口微波網絡，如圖9所示。在電磁波正入射的情況下，單元可以通過端口3有效地將入射電磁波耦合至兩側微帶線上的端口1和端口2，而端口1和端口2能夠將接收到的電磁能量沿著微帶線傳輸至相鄰的單元中，直至最終重新將電磁波耦合至前向空間。通過該方法，屈紹波教授課題組設計并仿真驗證了一款超薄柱狀低散射器（厚度僅為 0.025λ ）[9]。該方案雖然不能夠實現完美的隱身效果，但可以有效地降低目標的總散射。

4.4基于相位調制超表面的隱身技術

超表面的出現為調控電磁波提供了一條新的途徑。它具有深亞波長的厚度、靈活調控電磁波的能力、較低的損耗、易于共形、制備、和集成等特點，促進了超表面隱身的發展。通過合理設計超表面的單元結構以及相位分布，可以實現對相位型超表面散射的有效調控，達到“隱身”的目的[10]

圖9首個基于微波傳輸網絡理論實現的超薄隱身衣

2013年，東南大學的崔鐵軍院士課題組首次提出了超構表面毯式隱身的想法，并在微波段對基于二維超表面的毯式隱身進行了仿真驗證[]。2015年，美國加州大學伯克利分校的張翔教授課題組實驗驗證了一種基于相位調制超構表面的超薄毯式隱身[12]。該超構表面隱身由亞波長的金納米天線構成，它可以在 2π 范圍內調控反射光波的相位，如圖10所示。通過精心設計納米天線的結構和排布，覆蓋在凸起目標上的超薄超表面（厚度僅為80nm ，即0.11入）能夠成功模擬出金屬平板反射光波的相位分布，從而實現“地毯式隱身”。

圖10超薄超表面毯式隱身衣結構

隨著隱身技術的迅猛發展，多變的人射波模式和外部環境對隱身裝置的性能提出了更高的要求。人們希望隱身裝置的工作不再局限于固定的來波模式或背景環境。有源超構表面的不斷發展為實現這一期待提供了可能性。2018年，中國科學院光電技術研究所的羅先剛院士課題組首次實驗驗證了可實現動態幻覺調控的毯式超構表面隱身[13]，如圖11所示。通過調節加載在超構表面單元的變容二極管的電壓，可以動態且連續地調控該超構表面的反射相位，從而使散射波波前被重構為多個預期狀態，生成不同物體的電磁圖像，達到電磁欺騙的目的。

圖11幻覺可重構的毯式超表面隱身衣

2020年，浙江大學陳紅勝教授課題組設計出了一款能夠迅速根據背景環境和來波模式進行自適應響應的新一代智能毯式超表面隱身[14]。該超表面與人工智能算法進行結合，在沒有任何人為干預的情況下，能夠根據動態變化的人射波和背景環境自適應地調整相位分布，實時重構出與背景一致的散射場。

5結語

近幾十年，光學隱身技術的發展引起了人們的興趣，超材料的提出與發展為提升光學隱身技術提供了切實可行的新研究思路。理想的隱身材料應具有超薄、寬帶、全極化、全向、易于制造、低損耗、低成本等特點，但顯然任何超材料隱身技術都難以同時滿足這些要求。在器件集成化、環境復雜化以及需求多樣化的趨勢下，現有的隱身技術仍然存在著許多關鍵技術問題和應用難點。此外，新興作戰平臺上的雷達等射頻傳感器將以智能蒙皮的形態出現，復雜多變的電磁隱身環境對智能化的電磁隱身材料產生了強烈的需求。因而發展智能可調控的隱身技術以應對復雜多變的來波模式、背景環境和應用需求已然成為隱身技術發展的重要趨勢之一。

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