眼見未必為實的光學隱身技術(shù)

徐林 陳煥陽

人們常說“眼見為實”，但有時候事實并不是我們所看到的那樣。利用物質(zhì)材料來控制光的傳播，使光能按照人們的意愿行走，是當今光學研究領域的熱點，其中一種應用就是“光學隱身”?，F(xiàn)在讓我們看看光學隱身技術(shù)究竟有哪些呢？

學習自然界的保護色

自然界中有很多動物，身體的顏色與周圍環(huán)境很相似，這叫做保護色。這種保護色能幫助它們隱藏行蹤，躲避天敵，使它們在這個弱肉強食的世界里擁有自己的一席之地。其實這就是一種很有效的隱身技術(shù)。受此啟發(fā)，人們發(fā)明了迷彩服。當士兵們穿上這種衣服在自然環(huán)境中行軍作戰(zhàn)時，由于衣服與環(huán)境色彩相近，不會輕易被敵方發(fā)現(xiàn)，從而達到保護自己的目的。

減少反射信號

我們之所以能看到物體，是因為載有物體信息的光信號到達了我們的眼睛。減少物體的反射信號也是一種隱身技術(shù)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達就是人的眼睛，它能看到電磁波（光也是電磁波）。如何有效地減少軍事目標的反射信號，讓雷達“看不見”，也早已成了各國競相投資研發(fā)的焦點。第一代隱形飛機，如F-117“夜鷹”隱形戰(zhàn)術(shù)轟炸機，它的機身被設計成折面結(jié)構(gòu)，使得入射的電磁波信號無法原路返回。這樣雷達就接收不到反射信號，無法探測飛機的信息，從而實現(xiàn)了飛機的隱身。而第二代隱形飛機，如B-2“幽靈”隱形戰(zhàn)略轟炸機，它的表面是一種能夠產(chǎn)生等離子體的涂料。在飛行中，由于該涂料的存在，飛機周圍會形成一層帶電薄膜（等離子體），能夠吸收或散射掉雷達發(fā)出來的電磁波信號，這樣雷達接收不到反射回來的電磁波，該飛機也就實現(xiàn)了隱身。使用了隱身技術(shù)的轟炸機在戰(zhàn)爭中能夠神不知鬼不覺地打擊敵軍的重要目標，起到了“百萬軍中取上將首級”的作用。

將自己變得透明

在英國作家威爾斯創(chuàng)作的科幻小說《隱形人》中，主人公發(fā)明了一種方法，使得自己的折射率均勻分布并且跟周圍環(huán)境一樣，對光沒有散射和吸收，這樣他便變得“透明”了，別人就看不到他了。仔細一想，那么一個球狀的空氣體在空氣中不也是透明的嗎？答案是肯定的。把自身的折射率變成和周圍環(huán)境一樣，的確是很簡單的實現(xiàn)隱身的方法。這種透明的隱身辦法還可以存在于有折射率梯度變化的物體中，它就是“看不見”的球。這類球表面的折射率和環(huán)境一樣，越到中心折射率越大，使得入射的光線不斷偏折。當光線繞球心一圈離開球時，光線的傳播方向和位置與來時的保持一致，從而使得球變得透明了，也就實現(xiàn)了隱身。但是這樣的設想還只是停留在理論的探索之中。

從幻想變?yōu)楝F(xiàn)實的隱身衣

“看不見”的球能使自己隱身，其實有的東西除了能使自己不被看見，還能讓藏在它里面的東西不被發(fā)現(xiàn)?！肮げㄌ亍毕盗行≌f中就有神奇的隱身衣，主人公穿上它可以隱蔽行蹤。而在現(xiàn)實中，科學家們確實設計出了具有隱身功能的“衣服”，被隱身衣包裹的物體可以避免被外界觀察到。是什么原因使這件衣服能夠具有這種功能呢？原來，隱身衣是根據(jù)變換光學的方法精心設計的。它的每個地方的光學性質(zhì)都是不同的，就像沙漠中能夠產(chǎn)生海市蜃樓現(xiàn)象的空氣層一樣。當光照到它時，它會慢慢地偏折光的傳播方向，然后再逐漸扳回光的傳播方向。當光離開隱身衣的時候，它的傳播方向就和來時一樣，而且光也沒有損耗。對于外界的觀察者來說，光線好像是沿直線傳播過來的，給人的感覺就是看不到隱身衣和它里面的物體。

制作隱身衣的材料性質(zhì)很復雜，一般有兩種，分別是各向異性和各向同性的材料。對于各向異性的材料來說，它在各個方向上表現(xiàn)出來的光學性質(zhì)不一樣。能實現(xiàn)隱身的各向異性的材料是由比光波長小很多的微小結(jié)構(gòu)組成的。利用這樣的微小結(jié)構(gòu)，科學家們已經(jīng)在電磁波的微波頻段制備出簡化了的隱身衣，并且證實了它的隱身效果。而對于各向同性的材料來說，它的折射率是漸變的。由于這種隱身衣對折射率變化的范圍要求比較高，目前很難在實驗上制備。值得一提的是，已有相關報道稱可以優(yōu)化這種材料的折射率，降低所需折射率的最大值，希望不久的將來可以真正看到這樣的隱身衣！

光的折射

當我們將筷子伸進裝了水的杯子里，筷子似乎在空氣和水的交界面處斷了。這是因為光在傳播過程中發(fā)生了折射，改變了傳播方向，從而“欺騙”了我們的眼睛。光在均勻物質(zhì)中是沿直線勻速傳播的，就像運動的物體不受外力時保持勻速直線運動一樣。在不同的物質(zhì)中，光的傳播速度是不同的。人們一般用折射率表示各向同性物質(zhì)的光學性質(zhì)。折射率越大表示光的傳播速度越小。真空環(huán)境的折射率是1，空氣的折射率約等于1，水的折射率約是1.33。在空氣和水的界面處，光會發(fā)生折射現(xiàn)象，使得光線的傳播方向突然發(fā)生偏折，并且偏折角滿足折射定理。這樣就出現(xiàn)了水中的筷子仿佛斷了的現(xiàn)象，其實這是一種錯覺。

聽了有關隱身的故事，你是不是覺得這個世界很奇妙？我們看到的東西有可能并不是真的，假象可以欺騙我們的眼睛，但是千萬不要讓它影響我們的判斷力。