利用薄膜对视觉隐身的研究

刁扬轩　黄凯

摘  要：在传统认知中，薄膜属于大部分满足人们日常需求的必备品，不过一旦经过特殊工艺加工，其作用也会在更多领域体现出来。如在用纳米级别的超材料将光弯曲时，外部的观察者可能看不到内部，不过内部也会无法看见外部的视野，此时可以借助各向异性的反隐身层材料，与隐身衣折射率相对立的超材料将光渗透进来，为了使渗透入的光更清晰，还可以增添一层投射膜以增加透射光的光强，从而实现利用薄膜来辅助视觉隐身的效果。

关键词：薄膜  视觉隐身  超材料  光偏移

中图分类号：TB34                              文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0069-03

Abstract： In the traditional cognition， film is the most necessary product to meet people's daily needs， but once it is processed by special technology， its role will be reflected in more fields. For example， when bending light with nano scale metamaterials， the external observer may not see the inside， but the interior will also be unable to see the external field of vision. At this time， with the help of anisotropic anti stealth layer materials， metamaterials opposite to the refractive index of invisibility cloak can penetrate the light. In order to make the infiltrated light clearer， a projection film can be added to increase the transmitted light So as to realize the effect of using thin film to assist visual stealth.

Key Words： Thin film; Visual stealth; Metamaterial; Light shift

對于近年来美、英、中、日等国对隐身的研究，或利用超材料将其实现使光弯曲的操作。在此我们提出了利用薄膜等相关科学技术来实现对视觉隐身的辅助或实现。如同在利用oled发出使观察者迷惑的景象时，为了避免反光或微小光波渗漏，可使用增透膜和滤光片。因此本文详细探讨利用薄膜该如何辅助实现视觉隐身的效果及给出其现实实现的理论依据。

1  如何用薄膜实现隐身或隐身辅助

现今大部分薄膜是利用塑料，橡胶，胶粘剂等。存在的薄膜种类大多也是光学薄膜，复合薄膜，超导薄膜，聚酯薄膜，尼龙薄膜，塑料薄膜等[4]。对于复合薄膜，是由多层不同材料薄膜复合而成的高分子，若要用其来实现光学上的一些性质，操作十分困难，不过可以复合一些特有光学薄膜来实现更多的功能，但鉴于市面上如今大多利用如聚乙烯pe，聚丙烯pp等塑料薄膜，玻璃纸，纸张，金属箔AL等此类的复合薄膜，对于复合光学薄膜的研究却很少，所以若从此方面入手着实还需要一长段时间的支撑。

超导薄膜呢，是利用蒸发，喷涂等方法沉积出的厚度小于1μm的超导材料。目前实用的有高温，低温两类，低温超导薄膜是用于制造各种电子器件的，其优势仅在均匀性，一致性，隧道结的制备及各种集成电路的工艺方面，是对于电器方面有巨大作用的薄膜。聚酯薄膜是用聚对苯二甲酸乙二醇酯为原料制成的薄膜，是环保胶片，pet胶片等各种胶片印刷包装所用，且大范围用于玻璃钢、建材、医药、印刷等领域，仍属于塑料型薄膜，是用于包装，保护作用类的薄膜。对尼龙薄膜来说，与塑料薄膜作用类似，因其具有的强韧人，好的透明性，大的抗张强度，大的拉伸强度，较好的耐热及耐寒性，耐油性，耐磨性，耐穿刺性及阻氧性，是大范围在食品保鲜，运输，物体的保护方面应用的，若在以oled，变色led，micro led等实现的视觉隐身上，可添加这一层辅助保护材料，来防止器件的磨损及损坏。

干涉滤光片可吸收某些特定波段的波长，如由平板玻璃或明胶片制成的颜色滤光片，和只能让红外等长波段透过的薄膜滤光片。最后的分光镜只是用于分离不同波段的光束的，对视觉隐身也不会起到太大的作用。要说有几分希望的更多的应该是滤光片。由视觉隐身的原理，即当白光或不同波段的光即将照射于物体表面轮廓上时，若利用某种特殊涂料或特殊薄膜，又或是在物体表面上装有许多特有微小粒子产生的场，而这些微小粒子就是只能在实验室里经过特殊手段制造出来的，这种粒子可谓说在某种程度上脱离了自然的规律，因为对于有质量的物体才会收到电场，磁场，引力场与强相互作用与弱相互作用力场，而对于光子静质量为0，而动质量目前在中国探测出的最大值也仅为8×10^-22kg，若放在宏观大尺度的改变上，想行通就仅可能只得装载无数个微型反质量小黑洞的前提下，使光路大尺度上发生改变，而这亦是如今不可取的。想要直观描述万有引力所造成的细微影响，我们可简单计算光线通过大质量物体所偏离的立体角。计算如下：为了确定天体轨道，我们利用哈密顿—雅可比方程：

这里若将太阳的质量与轨道半径带入，可大致算出其偏移角仅为S（r）=1.75″。而要想实现视觉隐身让光线偏移的角度一般都是以度论处，且我们对每个所观察，即需要隐身的物体大多情况是低于地球尺度的，而这样的情形下，光一般可视为沿直线传播。

与万有引力场所造成的光偏移不同，有类由实验室里制造出的超材料的将一些共振微结构巧妙组合于一种组态，这种组态形成的电磁材料可将入射来的电磁波负折射，即形成了一种介电常数与磁导率都是负的材料，在材料中时其相速度与玻印亭向量发平行，即会向与正折射率入射后的光路相反[7]。如图1。

2  利用薄膜辅助超材料

在超材料实现的视觉隐身中，利用分子束外延使光子晶体类超材料物质达到对不同区间光波段弯曲不同程度的要求，这种对不同光波段的不同弯曲程度，最终实现的效果是如同白光一样含有红橙黄绿蓝靛紫七种组分的光都能让被观察者观测的物体所入射于其表面轮廓的光分成七束及以上的波段绕过物体偏射出去，最后到达后面的物体继而沿原路线再混合成白光反射回来。

若在由超材料覆盖的界面上，再镀一层电光薄膜材料，这层电光薄膜材料再连接一个调制电路，通过改变电路的频率，电压的大小来改变这种电場的场强大小及方向[5]。由此需要通过计算机相应环境的编程，再通过硅基片的各种处理，制作出一种能产生随环境光路的变化而命令调整其电压且频率大小的芯片，再通过一个个这种小的芯片控制调制电路[6]。调制电路改变电压使其电光材料薄膜折射率的改变，并在超材料负折射率的配合下，完美的改变其光路[1]。使得本该射到物体的光由于偏移一定角度后，继续直线传播射到后方物体，再经过携带有后方物体信息的光波按原路返回到了观察者的人眼中[2]。由这种电光材料辅助的光学性质薄膜便能骗过观察者的眼镜，使他仅看到后方的物体。如图2是可供参考的调制电路设计。其由电光材料组成的回音壁谐振腔，可进行交叉调制的光电振荡器[3]。

3  结语

所以要实现视觉隐身的辅助或真正从薄膜层面去达到隐身，只能从光学薄膜和分子束外延两方面来讨论了。光学薄膜是由薄的分层介质所构成的。经过界面并改变光一些特有的性质的一类光学介质材料。在调整好参数及加工工艺的情形下，对于视觉隐身的实现仍是有可行性的。

参考文献

[1] 于娟，张斌珍，段俊萍，等.一种基于超材料的双频吸波器设计与实验研究[J].测试技术学报，2020，34（4）：316-320.

[2] Man Luo，Xiangyuan Sang，Jing Tan，Juan Chen. A novel miniaturized metamaterial lens antenna[J]. International Journal of RF and Microwave Computer‐Aided Engineering，2020，30（7）：4-5.

[3] Wanli Meng，Baoyu Hou，Qiuhong Cao，Hongmei Lin，Wei Zhou，Zhaoxin Li，Dehua Li. Dynamically tunable high‐efficiency broadband terahertz linear polarization converter based on Dirac semimetal metamaterials[J]. Microwave and Optical Technology Letters，2020，62（8）：3-4.

[4] 单既锶.光电材料的合成方法与功能[J].科技导报，2020，38（8）：112-113.

[5] 张倩.空间光场的非线性光学调制方法研究[D].西安：西北大学，2019.

[6] 饶生龙.基于光学调制的飞秒激光加工技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2019.

[7] 蒋强.负折射光子晶体中的反常物理效应的机理及实验研究[D].上海：上海理工大学，2017.