蘇州大學賴耘教授和杭志宏教授課題組提出了超透明介質的概念和設計方法，在理論和模擬上實現(xiàn)了在幾乎全角度范圍內電磁波透射率大于99%的超透明效應，并在微波波段進行了實驗驗證。
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空氣、水、玻璃等都是常見的透明介質。透明介質是所有光學器件的基礎。正是由于透明介質的存在，使得光波的能量與信息得以傳播，才造成了這個光影變幻的繽紛世界。
然而，自然界中的固體和液體，由于其密度遠大于氣體，始終無法做到像真空或空氣一樣透明。經(jīng)典光學或電動力學中的布儒斯特定律證明了，對一塊電介質而言，只有當入射電磁波為橫磁波，且入射角為某個特定角度，即布儒斯特角時，在電介質表面上的反射才為零。在布儒斯特角，介質的阻抗與空氣的阻抗剛好匹配。而對任何其他入射角，阻抗都不匹配，因此反射是不可避免的。即使添加了減反膜，也只能實現(xiàn)針對部分角度的反射減弱。
圖1 （a）電介質的布儒斯特角；（b）超透明介質的全角度阻抗匹配效應；（c）超透明介質平板的透射率隨入射角的變化曲線，其中插圖為超透明介質的結構示意圖；（d）PRL封面報道。
為了解決上述阻抗不匹配問題，蘇州大學賴耘教授和杭志宏教授課題組提出了超透明介質（Ultratransparent media）的概念和設計方法。超透明介質是一種具有特殊微納結構的固體材料，它的有效介質參數(shù)具有特殊的非局域性（即隨著入射角變化而變化），使得在所有的入射角上，都滿足布儒斯特角的完全阻抗匹配條件，因此對任何角度的入射光都不會引起反射。該研究成果以封面文章的形式發(fā)表在Physical Review Letters [117, 223901 (2016)]上，并被編輯選為推薦論文。
結合新發(fā)展的一套非局域性有效介質理論，該課題組通過設計電介質微納結構，在理論和模擬上實現(xiàn)了在（-89°，89°）角度范圍內電磁波透射率大于99%的超透明介質。這種固體材料在某個頻段上的透明程度超越了地球上已知的所有固體和液體介質材料，幾乎達到了接近空氣的透明極限。該課題組設計的一個微波頻段的樣品為周期性排列的氧化鋁柱子（微波段介電常數(shù)為ε=8.5），在實驗上驗證了其在（-60°，60°）角度內滿足完全阻抗匹配（即布儒斯特角條件）的超透明效應。
除了寬角度阻抗匹配和無反射，超透明介質的另一個優(yōu)點是虛像沒有像差。普通介質（例如玻璃）由于其空間色散和真空不匹配，會導致形成的虛像具有一定的像差，即虛像被模糊化，降低了清晰度。而超透明介質可以設計其空間色散和真空完全匹配，從而避免了虛像像差的產生。
通過改變微納結構，可以調節(jié)超透明介質的折射效果，同時保持寬角度的阻抗匹配和無反射。這為實現(xiàn)基于非局域性介質的廣義變換光學打下了基礎。變換光學是隱身斗篷、幻像光學等奇異光學現(xiàn)象的理論基礎。一直以來，變換光學的理論被局限在局域性介質的范疇之內。由于局域性介質的局限，很難在光頻段實現(xiàn)阻抗匹配和無反射的變換光學應用。而超透明介質的提出則將變換光學推廣到非局域性介質，從而提出了一個全新的思路和光頻解決方案。
更為有趣的是，通過進一步的研究，該研究團隊發(fā)現(xiàn)這種超透明原理還可以推廣為在寬頻段內工作和不依賴于光偏振的完全透明效應，從而設計出覆蓋幾乎整個可見光頻段的寬頻、寬角度、偏振無關的新型超透明材料。其將可望應用于包括新型無反射棱鏡與透鏡、太陽能電池封裝、光學隱身在內的諸多領域。由于超透明效應是由微納結構所導致的，因此通過改變結構的尺寸，可以自由調節(jié)透明的頻段，從而實現(xiàn)其他特種功能器件。例如，基于混凝土和塑料設計的、幾乎完全不阻擋手機和WiFi微波信號的電磁透明墻（發(fā)表于Optics Letters [41, 5106 (2016)]）,等等。相關實驗研究正在進行中。
上述工作的超透明介質理論設計和廣義變換光學仿真部分主要由賴耘教授、羅杰助理研究員與姚忠琦同學完成。微波實驗驗證主要由杭志宏教授和楊玉婷同學完成。
論文鏈接：
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.223901
https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-41-21-5106
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