导读
近日（2019年8月13日），浙江大学王振宇教授课题组、厦门大学陈焕阳教授课题组和苏州大学徐亚东副教授，在水波隐形装置研究方面取得重要突破。研究人员借鉴带有渐变折射率超材料的电磁波隐形的理论方法，提出并设计了一种带有渐变水深分布的波导隐身装置。该装置具有宽频隐身、鲁棒性好、构造简洁等特点，可以在中部区域大幅度地消减波浪高度，有效减少波浪在该隐形区域内对物体的阻力或摇摆效应，从而保护海上设施免受水波损坏。相关成果以“Broadband Waveguide Cloak for Water Waves”为题封面发表在《Physical Review Letters》上[1]。
过去二十年里，光/声超构材料、超构表面已被广泛用于操控光/声波的振幅、相位、偏振以及传播等。因其超常规的物理性质，它们不断为诸多异常波动现象的实现、新型功能波动器件的设计提供了新的思路和材料基础。然而另一方面，三维超构材料（体材料）尺寸较大、结构复杂，往往难以制备并且材料损耗大，制约了相关研究的进一步发展。而超构表面，由于存在阻抗不匹配、高级次衍射等问题，大部分基于广义折射、反射定律方法设计的器件，在转换效率上都存在着内在的局限性。事实上，近几年来随着超构表面研究的不断深入，多个课题组提供利用超构光栅（厚度在一个波长左右）来解决超构表面转化效率低的问题。
2012年，陈焕阳和徐亚东意识到三维超材料和二维超表面各自的缺点，综合二者的优势和特点，提出了一种新思路：利用厚度尺寸在一个波长左右的渐变超构表面/光栅来调控光场。这一方案可以克服体材料吸收大、难于加工的缺点，克服现有超表面阻抗匹配存在的问题；却又同时具备在具有优势和常规超构表面不具备的相位调控的灵活性。研究人员利用厚度尺寸在一个波长左右的渐变折射率超构材料，实现了不依赖于偏振的不对称传输现象[2][Nat. Commun. 3, 2561 (2013)]，揭示了模式演化的物理机制。在此基础上，他们先后设计和实现了宽波段、偏振无关的电磁波导隐身器件[Sci. Rep. 5, 12106 (2015)]、宽波段完美波导转弯器件[Sci. Rep. 5, 18223 (2015)]、Fano共振现象[Sci. Rep. 6, 19927 (2016)]等一系列新效应和新器件。因为这些相关研究进展，2016年Nature Reviews Materials邀请他们撰写题为Planar Gradient Metamaterials的综述论文[3][Nat. Rev. Mater. 1, 16067 (2016)]，侧重于介绍厚度尺寸一个波长左右的平面光子器件的研究进展。最近，他们又在厚度尺寸在一个波长左右的渐变超构表面中发现了奇偶性相关的异常衍射现象和新的光栅衍射规律[Nat. Commun. 10, 2326 (2019); Phys. Rev. Appl. 12, 024006 (2019)]。近日发表在PRL上的水波隐身器件研究成果，又是一个厚度尺寸在一个波长左右的人工微结构材料的实际应用，为相关材料研究带来了新的生长点。
海洋是人类活动的重要场所，例如海上钻井、海上风力发电、水产养殖等，然而这些活动不可避免地会受到恶劣海洋环境的制约。显然，如何灵活地控制水波传播、减少水波作用已是海洋工程波浪力学领域的重要研究课题，正受到越来越多研究者的关注。
该论文中，通过控制不同位置的水深来实现渐变折射率分布，再结合波导理论，研究人员设计了一种基于水波模式转换的宽带水波波导隐形装置，并且在大型波浪水槽中实测验证了它的有效性。其中，水槽长60m，宽1.2m，高2m；渐变折射率超材料位于水槽底部两侧，由薄铁板制成，长为6m，宽为0.15m；共划分为三个区域，包括两个对称的弯曲形状部分和一个扁平形状的部分。实验中，水槽中水深为15-18cm，将一艘小船放置在该波导中心，在水波频率为0.6-0.9Hz时，小船在肉眼看起来几乎是固定不动的。这是因为小船位于水波“隐形”区域，由于渐变超材料的存在，引导水波绕开波导中心传播，使得波导中心区域内的物体免受水波的影响。另一方面，当将小船漂浮在渐变超材料上方时，由于水波能量汇聚在此处，使得小船的摇曳晃动加强。通过优化结构参数可以应用于不同的波浪环境，获得更大的隐形区域。
通过改变波导构件中的折射率，即通过改变水槽中的有效水深，我们就可实现大片宽频区域的覆盖。值得注意的是，这种波导可以在宽频范围工作，而且文中可以给出一个适用于不同工况的器件通项设计公式，从而提供了一种新型的波浪操控方法。那么如何改变折射率呢？作者结合水波理论公式 ,巧妙利用有效水深比值代表折射率 ,设计出了高度渐变的波导构件（如下图所示）来控制深度变化，从而有效改变水槽中心区域水波的折射率，成功实现了对于宽频结构隐身的突破。
图1-水槽与隐身器件实验照片
图2-水槽与隐身器件俯视和剖视示意图
二维模型的理论验证
根据水深折射率近似关系，作者设计出了长为6米，宽为0.15米，中心对称且高度渐变的隐身波导器件（如上图所示），并在数值软件COMSOL中等比例建立模型，针对不同水深(0.15米/0.16米)，0.7Hz频率工况进行数值模拟，结果如下:
图3-（a）水深0.15米 频率0.7Hz模拟结果
（b）水深0.16米 频率0.7Hz模拟结果
从模拟结果中我们可以看出，构件隐身效果十分显著，中心区域的波幅明显减小而波导上方的波幅明显增大，证明波导在理想情况下确实起到了改变波浪能量的传播方向，这也为后面设计小船实验奠定了理论基础。
大型水槽的实验论证
文章中作者还在水槽中设计了一系列不同水深，不同频率下的小船实验，通过改变波导隐身器件的高度构成不同的水波折射率。为了验证理论构想，研究人员在水槽中设计了不同水深，不同频率的实验条件下的小船实验。水槽长60米，宽1.2米，高2米。在水深不变时，改变入射水波的频率(0.6HZ-0.9HZ)；或是频率不变，改变水槽中水的深度（0.15m-0.18m）对水槽中不同位置和不同时刻的波幅进行测量和数据处理。根据实验观察得到：第一，在中心区域内波幅明显降低且与模拟结果吻合地较为理想，验证了该构件良好的改变水波能量传播方向的效果；第二，随着水深的增加，隐身效果逐渐减弱也提醒着我们是否要再次深入考虑非线性对于该实验的影响。数据整理如下：
除此之外，还针对水深0.16米改变入射水波的频率（0.6Hz-0.9Hz），在水槽中不同位置的小船实验进行了录像，生动直观地诠释了该隐身器件对于水波能量传播的调控作用。
动态视频效果
0.7两边
0.7隐身
这样理想的实验结果将会在以后的水波研究中起到重要作用。
该成果入选PRL封面故事及编辑推荐，并且被APS的Physics以“Hydrodynamic Cloaks”为题亮点报道。Physics World头版头条以“Broadband cloak controls water waves in harbours”为题报道该成果，Science News也以“New cloaking devices could hide objects from water waves and currents”为题做专访报道。这项工作在国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中央高校基础研究基金的资助下完成。
封面故事：https://journals.aps.org/prl/issues/123/7
亮点报道：https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.074501
Physics World头条报道：
https://physicsworld.com/a/broadband-cloak-controls-water-waves/
Science News专访报道：
https://www.sciencenews.org/article/new-cloaking-devices-could-hide-objects-water-waves-and-currents
陈焕阳，2001年9月至2005年7月在上海交通大学完成本科学习，期间曾以交换生身份至香港科技大学访学一个学期。2005年9月，保送上海交通大学，直接攻读博士学位，并于2008年6月提前2年毕业，期间曾以研究助理身份在香港科技大学陈子亭教授课题研究组工作近一年半。2008年9月至2009年9月，以博士后研究员身份继续在陈子亭教授课题组工作。2009年9月起至2016年11月任苏州大学物理科学与技术学院特聘教授、博士生导师，建立变换光学和超构材料的研究团队。2016年9月起加入厦门大学电子科学与技术学院电磁声学研究院。迄今为止，他在Nature Review Materials，Nature Materials，Nature Photonics，Nature Communications （4篇），Physical Review Letters （8篇）等国际著名期刊上公开发表学术论文逾120篇，引用超过5000次，最高单篇引用超过650次。其成果曾多次被Nature、Science等科学杂志报道或转载，关于声学隐形的结果则入选欧洲物理学会评选出来的2008年度物理学重大进展。2011年获全国百篇优秀博士学位论文。2013年获国家优秀青年科学基金项目。2013年以第一完成人获江苏省科技进步二等奖。2014年以第一完成人获教育部自然科学二等奖。2014至2018连续5年入选《中国高被引学者榜单》（物理学和天文学）。2018年入选福建省“闽江学者奖励计划”特聘教授。2019年入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者。
课题组主页：
http://kenyon.xmu.edu.cn
徐亚东，2014年毕业于苏州大学，获理学博士学位（导师陈焕阳教授）。博士论文获江苏省优秀博士论文。随后留校任教，担任讲师，2016年8月破格晋升副教授至今。2017 年入选苏州大学优秀青年学者培养计划，2017-2018香港科技大学物理系访问学者。自2009年起，在光学超构材料、光/声超构表面、等离激元光子学等方向从事异常光学特性和新型光/声学器件设计基础研究，迄今为止，在国际著名学术期刊发表SCI论文40余篇，其中第一/通讯（共同）作者Nature Review Materials（1篇）、Nature Communications（2篇）、Physical Review Letters（1篇）、 Physical Review Applied（1篇）、Laser & Photonics Reviews（1篇）、PRB（Rapid 1篇）；授权发明专利2项。部分研究成果获2014年度教育部自然科学奖二等奖（排名第4）；2016、2018 年苏州市自然科学研究论文二等奖、一等奖（排名第1）；2018 年度江苏省教育教学与研究优秀成果奖（研究类）二等奖（排名第1）。作为项目负责人，主持省部以上科研项目5项。
王振宇，2003年毕业于浙江大学水利与海洋工程学系，获博士学位。2005年至今先后任副教授、硕士研究生导师、研究所支部书记、博士研究生导师、教授。2009-2010年在英国伦敦帝国理工学院访问。2015年在美国加州大学伯克利分校访问。作为项目负责人，主持国家自然科学基金项目6项、省部级科研项目3项。作为骨干成员参加973计划1项、国际科技合作与交流专项1项。发表SCI论文30余篇，授权发明专利6项，获国家技术发明二等奖1项，浙江省科技进步二等奖1项。
课题组主页：http://person.zju.edu.cn/0003255
参考文献
[1]Siyuan Zou#, Yadong Xu#, Razafizana Zatianina#, Chunyang Li#, Lili Zhu, Yongqiang Zhang, Guohua Liu, Qing Huo Liu, Huanyang Chen* and Zhenyu Wang*, Broadband cloak for water waves, Physical Reivew Letters 123, 074501 (2019). (Editors' Suggestion, Featured in Physics, and On the cover)
[2]Yadong Xu, Chendong Gu, Bo Hou, Yun Lai, Jensen Li*, and Huanyang Chen*. Broadband asymmetric waveguiding of light without polarization limitations. Nature Communications 4, 2561 (2013).
[3]Yadong Xu, Yangyang Fu, and Huanyang Chen*, Planar Gradient Metamaterials (invited review), Nature Review Materials 1, 16067 (2016).
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