光学幻象2教程

摘要基于变换光学的幻象光学器件能够表现出自然界中不存在的现象，如隐身、超散射和隐形门等。其中电磁超散射现象利用变换光学中的折叠几何变换，使得物体的散射截面远大于其几何截面，颠覆了人们对于传统散射中散射截面通常小于散射体几何截面的认知。这一现象也为现实中实现“穿墙术”提供了可能。文章着重介绍了基于变换光学的超散射的发展历程以及利用超散射实现隐形门的方法。隐形门在**空间的实现为将来幻象器件的设计提供了新的思路。

其中是虚拟空间与物理空间的雅可比变换矩阵，、以及'、'从1到3选值以分别表示三个空间坐标。利用变换光学可以设计出许多具有新颖功能的器件，如隐身衣、旋转衣、汇聚器以及幻象器件等。

结合负折射率和补偿介质还可以设计出许多有趣的幻象光学器件。赖耘等人提出了非包裹式的隐身，其原理是利用补偿介质来消除被隐物体的反射以实现隐身效果。这不同于图2(a)中的隐身装置，由于光线无法进入r=r′内部，故图2(a)中隐身装置内部的观测者是看不到外部情况的，而非包裹式隐身内部的观测者可以看到外部情况。通过折叠几何变换还可以设计出反隐身的器件，破坏由正折射率材料组成的隐身器件的隐身效果。这些神奇的幻象器件不禁让人思考，所见即是真实吗？

在电影《哈利波特》中，站台是登上霍格沃茨特快列车的隐形通道(或隐形门)，如图4(a)所示，这既是魔法，也可以是一种幻象光学效应，即这个通道在空间上是实际存在的，但是在通道外的观察者却无法从视觉层面看到。随着变换光学的不断发展，研究人员发现结合超散射技术，便可实现隐形通道效应。

2012年泰坦尼克号灾难发生100周年之际进行的两项研究表明，大自然在船舶命运中起着关键作用。第一种观点认为，地球在当年异常接近月球和太阳，增加了它们对海洋的引力，创造了创纪录的潮汐，导致北大西洋在下沉时间内浮冰量增加。英国历史学家蒂姆马尔廷的第二项研究声称，灾难之夜的大气条件可能会导致一种称为超屈光的现象。这种弯曲的光线可能会产生一些幻象或光学幻觉，这些幻觉阻止了泰坦尼克号的观景台清楚地看到冰山。它也会使泰坦尼克号看起来更接近到附近的加利福尼亚船只，导致船员认为它是一艘没有收音机的不同船，阻止它们试图进行交流。从泰坦尼克号开始沉没的时候，加利福尼亚船员们会认为它只是在航行而已。