第四屆“創(chuàng)意光電”科普大賽參賽作品展示（10）：“欺騙”你的“眼”——超表面電磁波

“欺騙”你的“眼”——超表面電磁波隱身技術(shù)

參賽作者：李昊天

人工電磁超表面作為光電領(lǐng)域的重要研究方向和研究熱點(diǎn)，在隱身領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)撃芎椭匾膽?yīng)用價(jià)值。通過(guò)調(diào)整亞波長(zhǎng)單元的結(jié)構(gòu)及排列方式，人工電磁超表面可以對(duì)電磁波幅度、相位、極化方式、傳播模式等特性進(jìn)行自由調(diào)控，從而可以實(shí)現(xiàn)許多奇異電磁現(xiàn)象。在很多應(yīng)用中，人工電磁超表面能夠替代傳統(tǒng)復(fù)雜材料實(shí)現(xiàn)相同的電磁波調(diào)控功能，而且具有結(jié)構(gòu)輕薄、損耗較小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、加工容易等優(yōu)點(diǎn)。尤其在隱身領(lǐng)域，具有傳統(tǒng)材料所不具備的突出優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

技術(shù)簡(jiǎn)介：

通過(guò)調(diào)整亞波長(zhǎng)單元的結(jié)構(gòu)及排列方式，人工電磁超表面能夠?qū)崿F(xiàn)很多奇異的電磁現(xiàn)象，而且還能實(shí)現(xiàn)電磁波幅度、相位、極化方式、傳播模式等特性的自由調(diào)控?？梢栽诓贿`背基本的物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”。

實(shí)現(xiàn)方法：

其主要實(shí)現(xiàn)方式包括完美吸波材料、梯度型人工電磁表面、隨機(jī)表面、頻率選擇表面、極化轉(zhuǎn)換型電磁陷阱表面和人工磁導(dǎo)體復(fù)合材料等。這些不同的方法是通過(guò)利用超表面不同的性質(zhì)來(lái)達(dá)到相同的隱身目的。

效果展示：

（a）圖中所示的結(jié)構(gòu)通過(guò)人工電磁表面諧振單元的設(shè)計(jì)引入相位梯度，利用不同位置的相位梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁波的異常反射、折射現(xiàn)象；

（b）圖中展示的結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)極化轉(zhuǎn)換功能對(duì)于特定電磁波進(jìn)行多次反射和長(zhǎng)程傳輸，直至其損耗殆盡，實(shí)現(xiàn)“電磁陷阱”功能；

（c）圖中展示的雷達(dá)罩中頻率選擇表面能夠?qū)﹄姶挪▽?shí)現(xiàn)選擇性透過(guò)的功能，可作為空間濾波器保證隱身功能下的己方正常通信。

（d）圖中所示的為數(shù)字編碼可編程人工電磁表面，通過(guò)FPGA來(lái)整體控制加載二極管的可重構(gòu)碼元結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)可編程的數(shù)字化新型人工電磁表面。

超表面的制備工藝與檢測(cè)技術(shù)：

超表面的制備工藝主要有以下兩種：

制備方面，通常通過(guò)印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）工藝或激光刻蝕（Laser Etching）法制備出具有一定深度和形狀圖案的周期陣列結(jié)構(gòu)。檢測(cè)方面可通過(guò)弓形法/自由空間法探測(cè)其對(duì)于指定波段電磁信號(hào)的反射/透射特性。

圖1： Pendry J B , Schurig D , Smith D R . Controlling Electromagnetic Fields[J]. Science, 2006, 312(5781):1780-1782.

圖4（a）：Yu N, Genevet P, Kats M A, et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction[J]. Science, 2011, 334(6054):333-337.

圖4（d）：張磊. 時(shí)空編碼數(shù)字超表面及應(yīng)用[D].東南大學(xué),2020.DOI:10.27014/d.cnki.gdnau.2020.002827.

視頻來(lái)源1：CCTV節(jié)目：失寵的“猛禽”F-22

https://tv.cctv.com/2021/09/22/VIDElTzCPHc0wBNCjOppYCJA210922.shtml

視頻來(lái)源2：電影《哈利波特與死亡圣器》

視頻來(lái)源3：深圳光啟公司產(chǎn)品視頻