现代隐形新思路略述

上海大学2013〜2014学年春季学期通识课程课程论文课程名称：神奇的光子 课程编号：学分： 成绩： —姓名：石聪一学号:12121855大类:_材料学院论文题目： 现代隐形新思路略述 论文评语任课教师： 评阅日期： 现代隐形新思路略述摘要：高新科技历来都是在前人的技术或理论中逐渐发展而来的，隐形技术也不例外。本篇文章部分概括描述了2006年至今，现代最新隐形技术发展的新思路：变换光学的基本状况、隐形新材料的最新研究成果、时间域隐形技术发展状况，以及隐形技术未来发展方向。同时，也总结并指出了各种技术方向所面临的问题及未来科研所面临的困难。一、变换光学现代光学的重大进展之一是引入〃变换〃的概念.由此逐渐发展出光学一个新分支一傅里叶变换光学，简称变换光学，或傅里叶光学。目前的变换光学大体指二类内容.一是傅里叶光谱仪中存在的变换关系，它从干涉强度的空间频谱中提取光源辐射的时间频谱（即通常说的光谱）。另一类是相干成像系统和不相十成像系统中存在的变换关系，这第二类光学变换的内容相当丰富，它包括光学空间滤波和信息处理，光学系统的脉冲响应和传递函数，波前再现和全息术等等.变换光学的基本思想是用空间频谱的语言分析光信息，用改变频谱的手段处理相干成像系统中的光信息，用频谱被改变的眼光评价不相十成像系统（光学仪器）中像的质量（像质）。变换光学之所以能够得到人们广泛的关注和研究，其原因在于通过构建扭曲空间和平直均匀空间的一一映射关系，就可以设计所需要的材料从而达到任意控制电磁波传播的目的。变换光学技术第一次被用于研制一种隐形斗篷2006年，伦敦帝国理工大学的潘德瑞教授率先提出“隐身衣”超级材料的构想，“超级材料”成为国际上的一个研究热点。我们之所以能看到物体，是因为光波的发射或者反射，在实现隐藏功能时，特殊材料就需要把物体周围的光波实现完全弯曲，让光线和物体不发生反应，绕着通过。变换光学材料。这种材料的本质，说穿了，是和水流经过石头一样的原理，因为，当流水经过一块石头，水流会绕过石头，继续向前，就像没有遇到石头一样。这种情况下，周围的观察者看来，物体似乎变得“不存在”，也就实现了“视觉隐形”。不过，这种材料是非常特殊且细小的，在自然界完全找不到，都是要通过实验室人工制造，非常困难。2008年，法国研究人员们已经展示了如何应用“视觉隐形”的想法，那是尝试在这个充满热量的世界里研制出一种哈利波特一样的隐形斗篷。筷子插入水中的部分看起来似乎向水面方向弯曲。假如水显示出负折射的特性，筷子被水淹没的部分看上去则似乎是跳出了水面。如果将筷子换成其它物体，类似效果也会出现。因此，“超级材料”是像水又不同于水的物质。不过，天然材料是无法实现这种“负折射”的，他们人工研制出一类超材料。研究小组制造的，是一种三维“渔网”形的金属材料。他们将导电的银和不导电的氟化镁交替堆叠在一起，并在层与层之间挖出纳米寸的渔网图样。这样，在近红外线的范围内，出现了“负折射”，顺利让光线弯曲。二、新型隐形材料超弯曲材料一种薄膜由一些细微结构组成，形成一种叫做“超弯曲材料(Metaflex)”的新材料，在合理的光线条件下，它能够使得物体“隐形”。这种新研制的超弯曲材料能够改变光线传播的方向，简言之它能使光波按既定的方式不断反射，从而达到在较长的波长下隐形的效果。之前由于光学原理的限制，要实现这种隐形并非易事，物体的材料原子大小必须接近光波长短才有可能。迄今为止，较小波长光线折射的材料原子仅可应用衣服的扁平、较硬表面。但是据英国圣安德鲁斯大学的科学家安德烈迪法尔科声称，他们已经迈出了实现隐形衣的第一步。他们已经实现了在平且坚硬的表面使物体隐形。超弯曲材料可在可见光620纳米波长范围下操作，法尔科将超弯曲材料的形成简单的概括成将好几层网眼结构堆积，而现在它们已经成功的制造出了单层的薄膜结构，而这种“薄膜”堆积在一起可产生柔性“智能织物”，从而实现隐形斗篷的基本功能。理论上说，它可能的另一项令人惊喜的应用是通过在几层超弯曲材料薄膜在物体表面堆积，从而在光学范围建造三维柔性超材料。这项研究证实，在柔性物体表面覆盖超弯曲材料可起到光学范围内隐形的效果，预计未来这种在光学波长下具有隐形效果的三维柔性材料的发展将像堆积积木一样，不断地向更高的层次延伸。超弯曲材料将赋予我们最大限度地操控光线的能力。接下来下一步工作就是归纳出超弯曲材料在弯曲和折叠过程中，它光学特性的改变。如果它对运动较为敏感，那么它就可能用于其它方面，比如用于手持摄像机的新款镜头开发。但是倘若它对弯曲和运动不敏感，它就可以用于比如隐性眼镜的研发。可弯曲光线的特殊玻璃微片2010年，来自密歇根理工大学的研究人员却发现了一种捕获红外线的方法，可使红外线在物体周围发生弯曲，从而实现物体的隐身。一旦通过这种技术实现了可见光的弯曲，被其所覆盖的物体将会从人们的眼前消失。赛莫金娜教授的隐形斗篷采用了“超材料”，这是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。这种使用微型共振片合成，而非由天然的原子或分子构成的超材料是一种材料科学和电子工程跨学科研究的产物。微型共振片以一种同心圆形式排布，组成一个柱状体。在这个柱状体中产生磁场共振，实现该物体附近光线的弯曲，进而达成该物体的隐身性。现在该小组正在进行进一步的测试，试图在微波波段实现隐身，所用的材料是陶瓷共振片，微波的波长要远远大于红外线，其波长值可以达到数厘米。他们在密歇根工学院的消声实验室进行此项实验：这是一个类似洞穴的房间，遍布高度吸音的深灰色泡沫状锥形体，在其内部安装有天线用于微波的发送或接收。“从这一试验开始，我们将进一步研究在更高频率和更小波段上实现隐身。”研究人员表示。“最令人期待的或许就是在可见光波段实现隐身。”2009年，《新科学家》杂志曾预计，在30年内，隐身斗篷将进入寻常百姓家。三、时间域隐形2012年，美国科学家以高科技方法精确地实现了“时间隐形斗篷”，他们研制一种“短暂隐形装置”能够从视觉上隐藏一定时间内的发生事件。在实验演示中，科学家通过加速和减速光束的不同部分，能够对40皮秒时间范围内的事件进行隐形。科学家认为这项技术可与近期发展速度较快的光学隐形斗篷相结合，实现在空间和时间上对一个事件活动的隐形。通过加速和减速光束的不同部分，产生40皮秒的时间间隙，期间发现的事件都将被隐形，该项技术有望实现超级安全的保密通信。由于空间和时间隐形斗篷是分别在空间和时间实现隐形效果，并没有基本原则表明这两种隐形手段不能结合在一起，形成一个随意启动关闭的空间-时间隐形斗篷。参与这项研究的研究员弗雷德曼等人现已证实首个单向性暂时隐形斗篷装置在一些应用领域非常有效，比如：提高光导纤维系统的保密信号通讯。未来通过对此项技术的改进，有望将隐形时间提升至微秒、毫秒，同时该隐形装置能同步运行处理不同方向的光线。现在通过加速和减速光线束的不同部分，仅能对万亿分之一秒（或者40皮秒）内发生的事件实现隐形。理论上讲，在这一微小时间间隙所发生的任何事情都将无形，无法被探测到，这一时间等级不存在于人类感知能力之内。这种时间隐形斗篷装置可用于超级保密信号通讯，或者像科幻小说中的情节一样，甚至能与光学隐形装置结合使用，使用者从空间和时间上都实现隐形效果。据悉，研究人员使用时间分离透镜来分离光线的较慢和较快部分，期间形成一个短暂微小的时间间隙。不同于其他隐形斗篷装置，通过折射弯曲入射物体周围的光线，隐形时间斗篷使用一个特制透镜压缩穿过纤维光电缆的光线，从而导致部分光线加速，部分光线减速。从时间域上隐藏整个事件通过折射弯曲入射物体周围的光线，隐形时间斗篷使用一个特制透镜压缩穿过纤维光电缆的光线，从而导致部分光线加速，部分光线减速。这种方法是基于加速探测光线前端部分，减速探测光束的后端部分，从而形成暂时性时间间隙。像这样的探测光束在该事件过程中并未受到任何方式的修改。他们用两个光电调制器作为透镜，发射一束光线穿过透镜，第一个透镜压缩光线，而第二个透镜解压光线，期间形成了一个短暂的间隙或者时间洞，从时间域上期间发生的任何事件过程都不被记录。对于肉眼的视觉能力，从第二个透镜释放的光线看上去是连续的，犹如没有扭曲失真发生。实验结果是获得复杂空间-时间隐形斗篷领域的一项重大突破，此前物理学家曾发现扭曲电磁场和改变一定空间周围的光线来制造隐形斗篷，从本质上讲，隐形斗篷的发展趋势将使该空间内的任何事物都处于隐形。加速和减缓光束不同区域的方式让单一事件隐形2013年，美国科学家发明出了所谓的“时间隐形斗篷”，能够弯曲光线，在时间域制造空洞，进而达到让时间隐形的效果。这种装置能够通过加速和减缓光束不同区域的方式让单一事件隐形。不过，时间斗篷只能让事件隐形0.00012秒，目前还很难应用于光学通信。现在，印地安那州普渡大学的安德鲁-维纳和同事正在验证一种基于塔波特效应的可选性方式。塔波特效应是指光线穿过光栅后会以不同方向行进。根据这些计算机学工程师的研究，这种方式能够让来自接收器的以通讯数据传输速度传输的光学数据隐形。尽管取得这一研究突破，但科学家距离实现1秒或者更长时间的隐形仍相距甚远。时间斗篷通过操纵时空中的电磁辐射实现隐形，让从远处观察的人无法看到事件的发生。从理论上说，盗窃可以利用时间斗篷技术偷偷潜入一座建筑，神不知鬼不觉地偷走现金或者贵重物品，而后在监控摄像头记录下他们的影像前离开建筑。此外，时间斗篷技术还允许信息插入连续的数据流，同时又不破坏数据流。例如，使用iPad传输视频的人可以利用时间斗篷技术形成一个时间缺口，允许他们在不破坏视频的情况下下载另一个文件。据科学家估计，如果形成一个8分钟的时间缺口，科学家需要制造一个规模相当于太空系的时间斗篷。四、展望：相对论隐形光线是可以弯曲的。爱因斯坦的广义相对论本身在数学上，在思想上，毫无疑问是异常复杂的。但是他所做出的预测，他所做出的可以观察的、以前人们所不知道的预测，却是惊人的简单。广义相对论的一个非常重要的预测是：当光线通过重力场的时候，光线本身可以被拉弯。这个事实以前人们是不知道，并且是无法想象的。而这个在现代天文学的观察上一般叫做“重力场的透镜效应”或“爱因斯坦透镜效应”。广义相对论的证实：当发生日全食时，太阳的光芒完全被月亮屏蔽。在这样的条件下，太阳背后的恒星所发出的光经过太阳的重力场时被拉弯，照射到了地球上。这个时候人们对这颗恒星位置的计算，同太阳在其他位置时的计算有轻微的偏离，而这个偏离的大小是可以计算出来的。1918年，英国的远征队分别在地球的不同地方对这一预言进行了观测，而观测的结果与爱因斯坦的预言是一模一样的。这是广义相对论获得广泛支持，爱因斯坦成为世界名人非常关键的实验证据。如果能制造几个质量点或者能量足够大的能量点，置于空间中，使光线弯曲，同变换光学使光线弯曲从而隐藏物体的原理，就可以随心所欲的隐身目标物体了，为了排除对周边物质的影响，或许这种技术只能在茫茫的太空中用来隐身宇宙飞船或者其他天体。而且相比现有的隐形技术，利用相对论来隐形尚且只是个理想。例如，最关键的能量点质量点如何产生？这种能量点或者质量点对目标物或者附近的物体是否会有巨大的破坏？这些基础问题尚未解决，这只是一个畅想。人类的科学与技术就是在人们的不断畅想中逐步向前，当然，这也离不开一代又一代科研工作者付出的心血，他们怀着崇高的追求，带着满腔的热血，在人类科学史上，抛洒激情与汗水。隐形技术是人类很久远的梦想，一代又一代的科学家正在为这个梦想不懈努力着。在此，摘录整理部分新闻、期刊的科研成果，谨以此悉心学习，向前辈致敬。五、总结综上所述，变换光学目前应用前景广阔，研究理论正在逐步成熟，但是距离完全的人类视觉隐形仍有很远的距离。近些年来，各类高新隐形层出不穷，在不可见光方向上已经有较大进展，隐形材料正迈向可见光领域。科学家认为时间域隐形技术可与近期发展速度较快的光学隐形斗篷相结合，实现在空间和时间上对一个事件活动的隐形，但目前已有的时间等级不存在于人