撰稿人：Jack（西湖大学 博士生）
散射是所有波动在传播过程中都具有的性质。在现代生活中，我们都有这样的经历：当我们与路由器处于同一个房间时，往往 wifi 信号比较好；而当我们和路由器处于不同房间、间隔较远时，wifi 信号通常较差。这就是由于电磁波在墙壁中发生散射从而导致电磁波信号迅速衰减而无法传播至远处。再比如，在大雾天气，人的视野能见度往往只有几米远，这也是光波在大雾中的强烈散射导致的。
其实，无论是通信、生物医学成像、地震学，还是材料工程领域，波在介质中传播时的散射现象都会对这些应用产生不可避免的重大干扰和限制。过去长时间以来，人们提出了各种各样的方法来减小波的散射，例如阻抗匹配、波前整形技术、增透膜、超均匀和非厄米特介质等，但是这些方法往往只能适用于某些特定的光场分布、或是只适用于其中一部分的光学模式，无法对任意入射光场普适地实现完美传输。
鉴于此，近日，来自维也纳工业大学的 Stefan Rotter 教授和法国国家科学研究中心的 Matthieu Davy 教授团队联合在 Nature 上以 Anti-reflection structure for perfect transmission through complex media 为题发表重要突破性进展文章。
这篇文章提出了一种基于人工智能算法设计的通用型增透膜。文章从散射矩阵出发，利用人工智能算法设计了一种定制的互补型介质，通过在随机无序介质前面放置该定制的互补型介质，可以使得该随机无序介质对所有入射光波都是全透射的。
图源：Nature 607, 281–286 (2022), Fig.1
尽管这种方法乍一看是增加了介质的厚度、可能会加剧光的散射，但是实际上这种定制的互补型介质可以对光束的传播方向、相位起到巧妙的引导和调制的作用，通过利用电磁波在互补型介质的散射来对抗在原有随机无序介质中的散射，光束通过互补型介质和随机无序介质的整体反射率理论上可以达到 0，从而实现 100% 的完美透射。
图2.有无序杂质存在条件下的波导仍然可以实现完全透射。
图源：Nature 607, 281–286 (2022), Fig.2
为了消除随机无序介质中的强烈散射，研究人员提出了一种巧妙的策略，通过在随机无序介质前面放置一个适当设计的互补介质，使其完全传输到所有可能的入射波前。与仅在分层介质中抑制阻抗失配的匹配层不同，这种预加的“抗反射结构”本身是一种无序介质，其特殊性质是与要传输的固定介质完美匹配。
最重要的是，这种方法并不需要知道该给定介质的内部结构。相反，相关匹配条件仅依赖于介质的单侧反射矩阵，该矩阵通常可以直接通过实验测量。剩下要解决的任务只是设计前方的互补介质，使其自身具有所需的单侧反射矩阵，以满足涉及两种介质的匹配条件。
具体来说，研究人员首先构造了一种由波导组成的无序介质，其中波导包含一定数量的随机排列的特氟隆和金属圆柱体。研究人员基于逆向设计的理念，从特氟隆和金属圆柱体的另一种随机排列开始构造互补型介质，使得互补型介质和原有的无序介质产生的散射效应完全抵消。为了实现这一点，研究人员使用了一种基于人工智能算法的迭代过程，在该过程中，他们逐渐减少了计算的散射场与校正介质的期望散射场之间的差异。
接着，研究人员通过计算机模拟和实验证实了这种方法的可行性，并将互补型校正介质放置在由波导组成的无序介质前面，并用 7 GHz 和 11.2 GHz 的微波入射到该结构上。模拟显示，高达 99.9% 的入射辐射应在校正波导到位的情况下传输，而在没有校正波导的情况下仅传输 50%。虽然由于微波与波导壁和圆柱体相互作用的损耗，透射部分下降到 90% 至 94%，但实验基本上证实了这种互补型介质方法的可行性。
图源：Nature 607, 281–286 (2022), Fig.4
总之，在这篇文章中，研究人员从理论和实验上证明，通过在无序介质前面放置一个优化的互补介质，可以使所有入射波前其完全透射。由于只需设计这种互补介质的反射矩阵，研究人员设想超表面可用于此目的，从而能够创建定制的、具有新颖特性的自适应抗反射结构，用于无线通信、滤波、能量采集和成像领域。
更重要的是，由于研究人员所采用的这一方法对各种波动现象是通用的，因此可以广泛应用于其他复杂波动系统。从长远来看，随着计算能力和微制造技术的进步，研究人员的互补型散射介质方法将适用于具有越来越多波动模式的系统，从而为光波、声波、水波、机械波、地震波等波动的传播性质调控提供新的思路。
参考文献
Horodynski, M., Kühmayer, M., Ferise, C. et al. Anti-reflection structure for perfect transmission through complex media. Nature 607, 281–286 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04843-6
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