變換光學（Transformation optics）和超材料（metamaterial，也稱人工結構材料）能在實驗室里制造科幻隱身斗篷，有希望實現很多前所未見的光學壯舉——現在的一大挑戰是將象牙塔里的新概念變為現實。

　　超材料已經改變了光學規則。納米結構材料能在亞波長范圍控制光，對長期被認為不可行的、從負折射到隱形斗篷產生影響。十二年來，以前一直讓人反應過激的超材料已發展成為最讓人興奮的光子學領域之一。

　　然而，超材料和變換光學的這一光明前景源于其已經慢慢擴展到實際應用中。隱形斗篷能在實驗室被演示，但通常只能從一個特定的角度看隱藏在單色光照射下的小物體。主要影響取決于共振，所以他們在寬帶照明下不能工作。遠小于光波長的納米結構很難精密制造，批量制造更難。能與光波實現理想交互的結構材料很難找到。當前的挑戰是克服這些限制并開發出實際應用。

　　超材料的發展

　　超材料第一次被演示是在微波頻率，是從對人造介質的早期研究中發展起來的?；纠砟钍菍⒑芏鄟啿ㄩL單元陣列（包括導體和介質）組裝成體結構，否則無法獲得超材料特性，特別是折射率。

　　傳統光學中，折射率n通常被定義為光在真空中傳播速度與在該材料中速度的比值。然而，潛在物理意義依賴于兩個更基本的數據——介電常數ε和磁導率μ，n實際上等于

　　n=±εμ

　　在真空中，ε和μ都被定義為1，所以在真空中n=1。在介質中（如玻璃材料）中這兩個數據都是正數；但在可見光波段導體中有負介電常數、正磁導率，所以他們的復數折射率有一個大的負分量，因此金屬有大的衰減。

　　成分均勻的天然材料，其折射率是均勻的，因為光波只“看”體材料，而不是原子。同樣，對光波來說，超材料具有均勻的折射率，因為很多相同、間隔均勻的單元尺度遠遠小于波長。然而，這種建構的超材料的磁導率和介電常數值能被設計，實現傳統光學不可能實現的折射率，如n=-1時，光進入超材料后便可使光向后彎曲。

　　超材料的介電常數和磁導率的有效性取決于光波如何與內部成分交互作用。規則金屬線陣列能產生有效的介電常數，根據不同的尺寸、間距和排列方式，介電常數可從正數到負數間變化。同樣，調整開口環單元的設計方式就能產生大范圍的磁導率。光學效應與配備亞波長天線陣列的無線電波的效應相似。

　　變換光學

　　由亞波長單元的均勻陣列構成的超材料基本上都是為獨特性質設計的定制材料。然而，當設計拓展到包括亞波長單元的非均勻陣列，將產生更多選擇，為變換光學這一新領域打開了大門，將超越幾何光學、在超材料中操縱電磁場。

　　“我們對光的直覺理解是把它近似為射線，與我們的視覺緊密相關。對我們的眼睛來說，光的行為就像粒子流。”超材料先驅、帝國理工的John Pendry在Science期刊里寫道。標準光線近似法認為光以直線方式穿過物體，從而得到一個均勻的折射系數。然而，在亞波長范圍，光線影像失效，結構設計能以任意方式改變電場線和磁場線的傳播，這在傳統塊狀光學中是不可能的。這就是變換光學的領地。

　　傳統光學用費馬原理描述折射率的變化如何影響光的傳播路徑。“變化光學這一新興領域使我們可以相反地解決問題，也就是，如何通過設計各種材料的屬性來實現特定光路。”Liu Yongming和Zhang Xiang寫道。因此，為了使用隱形斗篷隱藏物體，他們可以指定他們想要的光路來引導光，然后使用變換光學設計跟隨這一光路的光所需的超材料。

　　設計二維隱形斗篷需要繞過隱藏物體的光路；變換光學就被用來設計這樣的超材料斗篷。變換光學同樣可以用于設計制造各類鏡頭、光束旋轉器、波束移位器以及光幻視所用的超材料結構單元。

　　超材料建構塊

　　變換光學建構塊基本上與其他超材料中用的亞波長單元相同。除了金屬，還有電介質、金屬-介質結構界面產生的表面等離子體激元。這些單元的尺寸和形狀通過超材料期望的形變而變化。在可見光波段，單個單元必須小于400？700nm，或者某些超過固體中的1000原子寬。

　　研究人員正在探索更多方向。金屬的強磁反應可用于生產獨特的交互作用，但是在近紅外和可見光波段損失大。金屬在光學和紅外波段的反應有所不同。金屬結構的共振效應能產生強交互作用，但效應峰值超出了限制范圍。電介質能具備更多的寬帶響應和更低的損耗。

　　正在探索的各種可能性中，電介質納米腔共振具有高折射率，這一性質能提供比金屬更低的損耗，比真空波長更小的尺度。比如， Valencia理工學院的Lei Shi及其同事（馬德里，西班牙）研究了小至250納米硅膠的近紅外共振。他們看好利用空氣和水等液體的超材料。

　　平面超材料表面

　　光學超材料體的制造已經遇到挑戰，一些研究人員正在研究平面結構。“光學人工結構表面具有用表面局限、平面分量控制光的可能性，讓人著迷。“Purdue 大學（BloomingTon， IN） 的Vladimir Shalaev和同事最近寫道。”超材料表面促使新物理學和現象與三維結構對應的方面明顯不同。它們還與片上納米光子學兼容。

　　這些超材料表面將薄金屬和電介質圖形沉積在一個基片上。其響應與體材料的反射和折射不一致，而且取決于亞波長層的光色散。至今為止，已經在包括紅外波段的負折射表面天線陣列和光波段的平面手性效應等方面做過演示實驗。超材料表面也在未使用體材料條件下產生了3D效應，Purdue團隊希望他們也能控制光的相位、偏振和頻率。

　　Purdue團隊寫道，相變材料可以集成到平面半導體超材料表面以用于光開光、光束控制，脈沖整形或調制。他們還提出制造雙曲線超材料表面的可能性，類似于通過金屬和介電元件的交互產生強各項異性和雙曲線色散來批量制造雙曲線超材料。體材料版可以極明顯改變光的行為，但存在損耗，很難制造。然而，Purdue團隊認為準二維雙曲線超材料表面損耗更低，能用于標準半導體技術。

　　對開發光學超材料應用潛力而言，變換光學已成為功能強大的范例。Pendry寫道“對電磁學來說，這種方法的關鍵好處是物理內涵，“，他預測，” 電磁理論中，變換光學將成為首選設計工具。“

　　面臨的挑戰可能和潛在的發展前景一樣大。此時此刻，超材料革命正在全世界各個實驗室的諸多研究方向進行。納米結構的設計和制造需要新的突破。為制造超材料而用的最佳形狀和原料方面尚未形成一致意見。應用領域也還不確定。象半個世紀前的激光一樣，今天的超材料似乎成為了一種解決方案，正在尋找問題，但我們知道如何實現它。