光电工程
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太原理工大学孙非副研究员团队阐述了全空间隐身与半空间隐身的区别与联系，重点介绍了实现全空间隐身的两种主要机制：光线绕射式隐身和散射抵消式隐身，并对其未来发展趋势进行了展望。
封面文章 | 孙冉，孙非，刘一超. 电磁隐身衣的研究进展与发展趋势[J]. 光电工程，2024，51(10): 240191.
第一作者：孙冉、孙非
通信作者：孙非
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概述
隐身衣，是自古以来的人类科学幻想。2006年提出的变换光学（transformation optics, TO）理论，基于坐标变换的方法，通过设计特殊的电磁材料分布，能够在理论上实现完美的隐身效果。TO理论的提出，不仅为隐身衣的设计提供了全新的思路，而且促进了超材料等新型人工电磁媒质的研究。这些材料具有自然界中罕见或不存在的电磁特性，能够实现对电磁波的精确控制，为隐身衣的实现提供了可能。在设计方法上，TO基于麦克斯韦方程组的协变性，提供了一种通过空间对应和坐标变换的新型理论设计方法。随着研究的持续深化，隐身衣已实现从理论模型到实验室原型，再到接近实际应用的隐身材料的一系列突破性进展。此领域的研究跨越物理学、光学、材料科学等多个学科，并与军事、安全、医疗等多个领域紧密相连，展现出巨大的应用潜力和发展前景。
与成熟的雷达隐身技术不同，其通过在物体表面镀一层特殊材料来散射或吸收雷达波，但物体的散射和吸收截面并不为零，因此并不是真正意义上的隐身。真隐身（cloaking），即散射和吸收截面均为零的隐身，分为光线绕射式隐身和散射抵消式隐身两种类型。具体设计方法包括TO、光学共形变换（optical conformal mapping, OCM）、几何光学、Mie散射理论和优化算法等。此外，传感器隐身是电磁隐身的一个重要分支，旨在消除散射截面并增大吸收截面，属于散射抵消式隐身。
综述内容
太原理工大学孙非副研究员的研究团队在《光电工程》2024年第10期上发表了题为“电磁隐身衣的研究进展与发展趋势”的综述文章。该综述首先介绍全空间隐身与半空间隐身的区别与联系，并且重点介绍实现全空间隐身的两种主要机制：光线绕射式隐身和散射抵消式隐身。
自2006年变换光学理论的提出以来，光线绕射式电磁隐身衣的研究已成为科研领域的热点，它通过特殊设计的电磁材料分布，使探测光波绕过被隐藏区域后，继续沿原先方向传播，从而实现隐身。关键研究进展包括基于TO、OCM和几何光学的设计方法。TO通过坐标变换设计电磁材料分布，引导光波绕过隐藏区域，但需要复杂的材料参数。OCM作为TO在二维情况下的特例，能够保持局部角度和网格不变，适用于二维器件设计。几何光学方法则通过透镜和反射镜的组合设计光路，实现光线绕射，这种方法容易实验验证，但观察角度受限。近年来，光线绕射式隐身衣的研究取得了显著进展，如利用Fabry-Pérot共振设计隐身结构，以及基于超表面、优化算法和低折射率材料的隐身结构设计。这些研究不仅推动了隐身衣的发展，也为其他需要特殊电磁特性的应用提供了新的思路。
散射抵消式隐身衣的研究集中在如何通过特殊的材料或结构设计，使得被隐藏物体的散射场与隐身衣产生的散射场相互抵消，从而实现对外界电磁波的隐身效果。研究方法包括Mie散射理论、TO、优化算法等，这些方法能够设计出特殊的材料分布，以抵消或减弱被隐藏物体对外界探测电磁波的散射。研究人员利用plasmonic材料和人造结构材料（如超材料和超表面）实现了这一目标。例如，通过在物体周围包裹一层超表面，可以实现对电磁波的散射抵消。此外，基于互补介质的散射抵消式隐身衣也被提出，这种隐身衣可以实现远距离的散射抵消。散射抵消式隐身衣可以用于传感器、探测器等需要检测外界信号的设备，而且相比于光线绕射式隐身衣，散射抵消式隐身衣允许被隐藏物体与外界电磁波接触，从而保持了物体的功能。尽管如此，散射抵消式隐身衣的设计通常针对特定形状、尺寸和材料的物体，一旦这些参数发生变化，隐身效果可能会受到影响。
优化算法提供了一种新的隐身衣设计方法，能够在给定的材料范围内实现最佳的隐身效果，同时提高了设计效率和创新性。主要研究方法包括基因算法、拓扑优化、机器学习、神经网络和深度学习等。不仅如此，基于优化算法的隐身衣在实验验证中表现出了有效的隐身性能，如利用基因算法设计的隐身结构在特定频率下显著降低了散射截面，拓扑优化方法也成功实现了对金属柱的隐身。此外，基于机器学习和深度学习的优化算法通过大量样本训练，用于预测和逆向设计，为电磁隐身衣的设计提供了新的方法。
图1 电磁隐身衣的机制与发展。电磁隐身衣从探测角度分为全空间隐身衣与半空间隐身衣；全空间隐身衣从工作机制上又分为光线绕射式隐身衣和散射抵消式隐身衣；光线绕射式隐身衣从设计方法上分为基于TO、OCM、几何光学设计的隐身衣，散射抵消式隐身衣从设计方法上分为基于plasmonic材料、超表面、互补介质设计的隐身衣。除此之外，优化算法可用于设计不同类型的隐身衣，并优化某种材料参数及隐身效果。
总结与展望
该综述对其未来发展趋势进行了展望，其主要研究分支包括多物理场混合隐身、宽带隐身技术、智能可调隐身技术和人工智能算法等。对于多物理场隐身，目前扩展到了包括声波、热流、静磁场等多个物理领域。研究者们开发了能同时应对多个物理场的隐身衣，如电磁波和声波的双物理场隐身，以及对电磁波、声波、水波同时隐身的结构。这些多物理场隐身衣的发展，预示着未来隐身技术将为多物理场兼容管理提供新方法，其中多物理场零空间介质和拓扑优化算法可能是实现突破的关键技术。
随着探测技术的进步，超表面的发展为宽带隐身衣的实现提供了可能，其通过设计超表面单元的几何形状和排列，可以在宽频率范围内的隐身效果。并且，智能光学和智能材料的发展，将使未来的隐身技术能够根据不同工作模式进行智能切换，如在地表附近采用半空间地毯式隐身模式，而在空中则切换至全空间隐身模式。人工智能算法可能是实现多模式智能隐身设计的关键，为隐身技术的未来创新和应用提供了可能。尽管实现对任意物体有效的、宽带双偏振全方向的三维电大尺寸物体隐身的目标仍有挑战，但新型材料和人工智能等交叉学科的发展，将为隐身技术带来新的突破。
该工作得到了国家自然基金面上项目(12274317，12374277)的资助。
研究团队简介
太原理工大学的变换光学与超材料课题组建立于2019年，目前课题组有教师3名，研究生18名，培养7名研究生获得硕士学位。在近5年，课题组主持国家级项目3项，省级项目3项，在Advanced Materials、Physical Review Letters、Laser & Photonics Reviews等国内外知名SCI期刊发表学术论文30余篇，发表英文专著1部（ISBN 978-2-8325-3885-2）。目前研究方向包括（不限于）：隐身衣、多物理场调控、超材料、超分辨成像、零空间介质等。欢迎更多青年教师和学生的加入。
课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/sun_fei
太原理工大学变换光学与超材料课题组团队照片
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编辑 | 彭诗涵 张诗杰
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