第四届“创意光电”科普大赛参赛作品展示（10）：“欺骗”你的“眼”——超表面电磁波

“欺骗”你的“眼”——超表面电磁波隐身技术

参赛作者：李昊天

人工电磁超表面作为光电领域的重要研究方向和研究热点，在隐身领域具有巨大的发展潜能和重要的应用价值。通过调整亚波长单元的结构及排列方式，人工电磁超表面可以对电磁波幅度、相位、极化方式、传播模式等特性进行自由调控，从而可以实现许多奇异电磁现象。在很多应用中，人工电磁超表面能够替代传统复杂材料实现相同的电磁波调控功能，而且具有结构轻薄、损耗较小、实现简单、加工容易等优点。尤其在隐身领域，具有传统材料所不具备的突出优势和发展潜力。

技术简介：

通过调整亚波长单元的结构及排列方式，人工电磁超表面能够实现很多奇异的电磁现象，而且还能实现电磁波幅度、相位、极化方式、传播模式等特性的自由调控。可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。

实现方法：

其主要实现方式包括完美吸波材料、梯度型人工电磁表面、随机表面、频率选择表面、极化转换型电磁陷阱表面和人工磁导体复合材料等。这些不同的方法是通过利用超表面不同的性质来达到相同的隐身目的。

效果展示：

（a）图中所示的结构通过人工电磁表面谐振单元的设计引入相位梯度，利用不同位置的相位梯度来实现电磁波的异常反射、折射现象；

（b）图中展示的结构能够通过极化转换功能对于特定电磁波进行多次反射和长程传输，直至其损耗殆尽，实现“电磁陷阱”功能；

（c）图中展示的雷达罩中频率选择表面能够对电磁波实现选择性透过的功能，可作为空间滤波器保证隐身功能下的己方正常通信。

（d）图中所示的为数字编码可编程人工电磁表面，通过FPGA来整体控制加载二极管的可重构码元结构单元，实现可编程的数字化新型人工电磁表面。

超表面的制备工艺与检测技术：

超表面的制备工艺主要有以下两种：

制备方面，通常通过印刷电路板（Printed Circuit Board, PCB）工艺或激光刻蚀（Laser Etching）法制备出具有一定深度和形状图案的周期阵列结构。检测方面可通过弓形法/自由空间法探测其对于指定波段电磁信号的反射/透射特性。

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

图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.

图4（d）：张磊. 时空编码数字超表面及应用[D].东南大学,2020.DOI:10.27014/d.cnki.gdnau.2020.002827.

视频来源1：CCTV节目：失宠的“猛禽”F-22

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

视频来源2：电影《哈利波特与死亡圣器》

视频来源3：深圳光启公司产品视频