导读
近日，加拿大国立科学研究院（INRS）的最新研究首次展示，当光波通过物体时，操控光波的频率（颜色）来实现隐身斗篷。这项研究不仅克服了现有隐身技术的缺点，而且可以应用于感知、通信、信息处理等多个领域。
背景
看过《哈利波特》系列电影的朋友，对于哈利波特的魔法道具：隐身斗篷，都不会陌生。穿上隐身斗篷之后，哈利波特可以瞬间从别人眼前消失。
或许你认为这仅仅是魔法和幻想，但是科学家们正努力将它变为现实。科学家们一直在寻找各种方法来操控光线与物体之间的相互作用，从而达到隐藏物体的目标。下面让我们先来看两个例子：
1）德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员使用新型漫射光散射介质制造隐身斗篷。
下图为漫射光散射介质中的光路图，左边的测试对象蒙了一层阴影，而使用新介质的右边物体没有阴影。
2）美国伯克利实验室的研究人员采用超颖材料研制了一款隐身斗篷，这款隐身斗篷可以改变可见光、红外线以及X射线与要隐藏的目标物体之间的交互作用，使物体无法被观看到。
当你观测物体时，实际上真正看到的是，物体改变了与其交互的光波能量。之前，大多数的隐身斗篷方案都是改变光线传播的路径，使得光波在物体周围传播，而不是穿过物体。其他还有一些称为“时间隐身”的方案，通过修改光波的传播速度，使得物体在规定时间长度内穿越光束，从而实现隐身。
无论上述两种方案中的哪一种，不同颜色的入射光波在穿过隐身设备时，必须沿着不同的路径传播，因此到达目的地所花费的时间不同。这种光波时间特性的改变，对于观察者来说，就像某个东西看上去不像它应该呈现的样子。
创新
为了解决上述问题，近日加拿大国立科学研究院（INRS）的最新研究首次展示，当光波通过物体时，操控光波的频率（颜色）来实现隐身斗篷。从根本上来说，这是一种克服了现有隐身技术缺点的全新方案。研究人员在美国光学会的高影响力杂志《Optica》上演示了这一方案。
加拿大国立科学研究院的 Luis Romero Cortés 表示：“传统的隐身方案依赖于改变光线的传播路径，使其在要隐藏的物体周围传播。这种方式下，不同颜色光线穿过斗篷所采用的时间不同，从而带来很容易被检测到的失真，泄露斗篷的存在。我们所提议的方案，让光波穿越目标物体而不是在其周围传播，同时避免光波与物体产生任何相互作用，从而避免了这一问题。”
研究人员称，该方案可用于保护光纤线路中传输的数据，也可以帮助提升感知、通信、信息处理技术。从理论上说，这个概念可以延伸至让三维物体在所有方向上都不可见，这是开发实用的隐身斗篷技术的重要一步。
技术
现有的大多数隐身设备，只有当物体被一种颜色的光线照射时，才可以完全隐藏感兴趣的物体。然而，太阳光及其他大多数光源都是宽频的，也就是说，它们包含许多种颜色。这种称为“光谱隐身斗篷”（spectral invisibility cloak）新型设备，可以完全隐藏宽频光线照射下的任意物体。
光谱斗篷可选择性地将能量从特定颜色的光波转移到其他颜色。在光波通过物体之后，设备可以恢复光线的原始状态。
加拿大蒙特利尔国立科学研究院的 José Azaña 表示：“我们的研究代表着实现隐身斗篷这一目标过程中的重要突破。我们已经使得照明光波通过物体时不会产生可发觉的失真，从而让真实宽频光照条件下的目标物体完全不可见，就像物体和斗篷不存在一样。”
Azaña 及其团队开发出一种重新设置宽频光线中不同颜色的方法，使得光波穿过物体而实际上“不可见”。首先，隐身设备需要将颜色向着穿越物体时不会受到影响的频谱区域转移。例如，如果物体反射绿光，那么光谱的绿色部分就会变为蓝色，那么就不会有绿光被反射出来。然后，一旦光波离开物体，隐身设备会逆向转变，以其原始状态重置光波。
团队通过使滤光片隐身来演示他们的方案，滤光片可以吸收某些颜色的光线，而让其他颜色的光线通过。他们通过短的激光脉冲照射滤光片。
隐身设备由两对两个商用电光元件组成。第一个元件是一个色散光纤，它使得不同颜色的宽频光波以不同的速度传播。第二个元件是时间相位调制器 ，它根据光波何时穿过隐身设备，改变光线的光学频率。一对这样的元件放置在滤光片的前面，而另外一对放置在滤光片的后面。
实验证明，设备能够将光波改变到滤光片吸收的频率范围内，然后当光波从另外一端离开滤光片时，完全地反转这一过程，使得它看上去就像激光脉冲穿透非吸收的介质。
价值
虽然在这种新型设计在转变为哈利波特式的可穿戴隐身斗篷之前，还需要进一步的开发，但是这种经过实验论证的光谱隐身设备可用于实现一系列的安全目标。例如，目前的电信系统采用宽频光波作为数据信号来传输和处理信息，光谱隐身技术可用于选择性判定哪些操作作用于光波，而哪些是在特定时间内“隐形”的。这将防止“窃听者”通过宽频光线探测光纤网络采集信息。
这种可逆的、用户定义的光谱能量再分配的总体概念，也将应用于隐身斗篷之外的领域。例如，选择性的移除并随后恢复作为电信数据信号使用的宽频光波中的颜色，从而使得更多的数据通过给定的链路传输，在数据需求日益增长的情况下，这将缓解数据拥塞。或者，这项技术也可以尽可能降低目前宽频电信链路中存在的一些关键问题，例如重新组织信号能量频谱，使它不容易受到色散、非线性现象以及其他损害数据信号的不良效应的影响。
研究人员展示的这种光谱隐身技术，只适用于物体在一个空间方向上接受光线照射的情况。Azaña 表示，这一概念有可能经过拓展，达到让物体在任何方向的光线照射下都能实现隐身。团队计划朝着这个目标继续开展他们的研究。同时，他们也正致力于推进单向光谱隐身技术在一维光波系统中的实际应用，例如基于光纤的应用。
关键字
光学、隐身、通信、光纤、安全
【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/spectral_cloaking_could_make_objects_invisible_(1)/
【2】Luis Romero Cortés, Mohamed Seghilani, Reza Maram, José Azaña. Full-field broadband invisibility through reversible wave frequency-spectrum control. Optica, 2018; 5 (7): 779 DOI: 10.1364/OPTICA.5.000779
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