基于α-MoO3的隐身聚光器件

图1 α-MoO₃隐身聚光器模型

1. 导读

近几年来，变换光学成为了一个重要课题。它基于麦克斯韦方程组在坐标变换前后的形式不变性，证明了光在连续介质中传播的轨迹等同于光在坐标变换后的弯曲空间中的运动轨迹。因此，通过变换光学，我们可以通过设计材料的折射率分布去操纵光行为。超材料的出现和发展，更是让许多具有不同功能的器件被设计和实现，例如隐身斗篷，光学错觉装置，旋转器等。但是为了在实验中实现它们，通常需要简化电磁参数以避免无限大或负数的情况，且还需要用复杂结构等效出梯度折射率材料，这些过程需要昂贵的光刻技术和繁琐的制造方法，并且最终性能也会受到影响，存在较大的散射和偏差。

针对这些问题，近日厦门大学陈焕阳教授团队在Nanophotonics发表最新文章，在变换光学基础上使用了一种当前热门的自然双曲材料α-MoO₃。当α-MoO₃薄膜被卷在光纤上时（如图1所示），基于变换光学原理和Fabry-Pérot共振机制，电磁参数的无限大问题将会被解决，以达到隐藏电磁照明下的物体的目的，即隐身。此外，还研究了这种新型隐身聚光器的全角度隐身聚光效果和错觉效应。

该研究结果不仅为α-MoO₃等自然双曲线材料的隐身器件相关应用提供了重要的理论和实验设计指导，还揭示了在变换光学的基础上，可以产生更多超越隐形聚光器的新纳米光子概念，如多频超散射、变换极化学等。

2. 研究背景

在Pendry等人提出了可以构建完美的隐身斗篷来隐藏物体免受电磁照明之后，圆柱形隐身斗篷也同时被理论上提出以方便加工。在原有的隐身机理基础上，陈焕阳等人发现Fabry-Pérot(F-P)共振理论能被用于设计能在多频率下工作良好的隐身器件，甚至还被应用到了声学和水波等领域。然而，为了在实际实验中更容易实现，通常需要简化实验参数并避免电磁参数的无限，和用复杂的结构来等效出梯度折射率材料，当然，简化的隐身斗篷虽然继承了理想斗篷的一些特性，但存在较大的散射。此外，最初的双曲各向异性主要是用人工材料来实现的(又名超构材料)，需要在周期性亚波长特征的基础上使用昂贵的光刻技术和复杂的制造方法，而周期单元的几何质量和制造过程造成的误差会影响器件的光子特性。

为解决这些实际问题，鲍桥梁等人发现并报道了一些具有自然双曲线材料的材料--范德华纳米材料。相比人工加工超材料，这种材料的声子极化子具有自然的双曲响应，并且具有价格和加工上的优势。其中双轴范德华半导体α-MoO₃能在红外波段保持自然的面内正交声子偏振模式（大多数自然双曲极化子都只能在平面外传播）。过去，人们最初认为，极端各向异性的电磁特性(如双曲性)在很大程度上依赖于人造材料或变换光学器件的实现。但最近的研究表明，自然各向异性材料的出现，为各向异性动力学和光子学提供了新的可能性。

3. 创新研究

图2 三氧化钼的介电常数的(a)实部和(b)虚部与频率的关系。

基于散射扫描近场光学显微镜和傅里叶变换红外光谱，研究人员获取了α-MoO₃薄片的色散关系，如图2所示。在红外波段中，沿着α-MoO₃的不同晶向的介电常数的符号不同且在特殊频段下的数值很大。因此，研究人员发现当把α-MoO₃薄片卷在圆柱形光纤上时（如图1所示），F-P共振频段的光能够以极小的散射绕过α-MoO₃隐身聚光器传播并且能量在中心处得到加强。除此之外，新型的隐身器件在特定光源位置还表现出错觉效应。研究人员分别从数值计算和理论解析的角度上验证α-MoO₃隐身聚光器对于平面波和点光源的全角度隐身效果（见图3）。

图3 平面波激发，α-MoO₃隐身聚光器的(a)H_z分量图和(b)散射场的数值解，(c) H_z分量解析解。点光源激发下(d)真空条件，(e)纯光纤圆柱和 (f)α-MoO₃隐身聚光器的H_z分量图

随后，研究人员将点光源分别放置在α-MoO₃隐身聚光器的内圈和外圈上，结果如图4所示。与真空情况下的光场分布对比，α-MoO₃隐身聚光器对特殊位置的点光源仍然有隐身作用。此外，在α-MoO₃包层中，点源放置在不同位置时，外部磁场除了符号相反之外，大小和分布几乎一致。这使得我们无法通过近场的磁场分布来判断光源的具体位置，这正是α-MoO₃隐身聚光器的作用导致了该光源错觉效应。

图4 当点光源分别被放置在内圈和外圈时的H_z分量图，其中(a)和(c)对应真空环境。(b)和 (d) 代表α-MoO₃隐身聚光器

4. 应用与展望

研究团队提出的基于α-MoO₃的隐形能量集中效应并不局限于共振点单个频率，并且根据摆放方式不同，在其余两个频段也能实现相同的效果。在其初步实验中，预计利用静电效应在光纤上包裹一层α-MoO₃，然后通过控制旋转角度包裹几十圈便可以获得符合仿真要求厚度的模型。此外，也可以利用CVD法可以在SiO₂圆柱体周围生长单晶α-MoO₃薄膜达到实验目的。最后，研究结果表明，α-MoO₃和V₂O₅等自然双曲线材料可以作为变换光学的新基础，并产生了许多超越隐形聚光器的新的纳米光子概念，如多频超散射，超薄红外偏振器，小型化超透镜，变换极化学，改进红外成像和探测系统等。

该研究成果以“Invisibility concentrator based on van der Waals

semiconductor α-MoO₃”为题在线发表在Nanophotonics。

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