2017中国光学重要成果推荐

空气、水、玻璃等都是常见的透明介质。透明介质是所有光学器件的基础。正是由于透明介质的存在，使得光波的能量与信息得以传播，才造成了这个光影变幻的缤纷世界。

然而，自然界中的固体和液体，由于其密度远大于气体，始终无法做到像真空或空气一样透明。经典光学或电动力学中的布儒斯特定律证明了，对一块电介质而言，只有当入射电磁波为横磁波，且入射角为某个特定角度，即布儒斯特角时，在电介质表面上的反射才为零。在布儒斯特角，介质的阻抗与空气的阻抗刚好匹配。而对任何其他入射角，阻抗都不匹配，因此反射是不可避免的。即使添加了减反膜，也只能实现针对部分角度的反射减弱。

图1 （a）电介质的布儒斯特角；（b）超透明介质的全角度阻抗匹配效应；（c）超透明介质平板的透射率随入射角的变化曲线，其中插图为超透明介质的结构示意图；（d）PRL封面报道。

为了解决上述阻抗不匹配问题，苏州大学赖耘教授和杭志宏教授课题组提出了超透明介质（Ultratransparent media）的概念和设计方法。超透明介质是一种具有特殊微纳结构的固体材料，它的有效介质参数具有特殊的非局域性（即随着入射角变化而变化），使得在所有的入射角上，都满足布儒斯特角的完全阻抗匹配条件，因此对任何角度的入射光都不会引起反射。该研究成果以封面文章的形式发表在Physical Review Letters [117, 223901 (2016)]上，并被编辑选为推荐论文。

结合新发展的一套非局域性有效介质理论，该课题组通过设计电介质微纳结构，在理论和模拟上实现了在（-89°，89°）角度范围内电磁波透射率大于99%的超透明介质。这种固体材料在某个频段上的透明程度超越了地球上已知的所有固体和液体介质材料，几乎达到了接近空气的透明极限。该课题组设计的一个微波频段的样品为周期性排列的氧化铝柱子（微波段介电常数为ε=8.5），在实验上验证了其在（-60°，60°）角度内满足完全阻抗匹配（即布儒斯特角条件）的超透明效应。

除了宽角度阻抗匹配和无反射，超透明介质的另一个优点是虚像没有像差。普通介质（例如玻璃）由于其空间色散和真空不匹配，会导致形成的虚像具有一定的像差，即虚像被模糊化，降低了清晰度。而超透明介质可以设计其空间色散和真空完全匹配，从而避免了虚像像差的产生。

通过改变微纳结构，可以调节超透明介质的折射效果，同时保持宽角度的阻抗匹配和无反射。这为实现基于非局域性介质的广义变换光学打下了基础。变换光学是隐身斗篷、幻像光学等奇异光学现象的理论基础。一直以来，变换光学的理论被局限在局域性介质的范畴之内。由于局域性介质的局限，很难在光频段实现阻抗匹配和无反射的变换光学应用。而超透明介质的提出则将变换光学推广到非局域性介质，从而提出了一个全新的思路和光频解决方案。

更为有趣的是，通过进一步的研究，该研究团队发现这种超透明原理还可以推广为在宽频段内工作和不依赖于光偏振的完全透明效应，从而设计出覆盖几乎整个可见光频段的宽频、宽角度、偏振无关的新型超透明材料。其将可望应用于包括新型无反射棱镜与透镜、太阳能电池封装、光学隐身在内的诸多领域。由于超透明效应是由微纳结构所导致的，因此通过改变结构的尺寸，可以自由调节透明的频段，从而实现其他特种功能器件。例如，基于混凝土和塑料设计的、几乎完全不阻挡手机和WiFi微波信号的电磁透明墙（发表于Optics Letters [41, 5106 (2016)]）,等等。相关实验研究正在进行中。

上述工作的超透明介质理论设计和广义变换光学仿真部分主要由赖耘教授、罗杰助理研究员与姚忠琦同学完成。微波实验验证主要由杭志宏教授和杨玉婷同学完成。

论文链接：

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.223901

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-41-21-5106