紧身的隐形斗篷

正科学家们在制造哈利·波特式隐形斗篷的征途上又前进了一步,不过与哈利·波特的隐身衣相比,它实在太小了。美国加利福尼亚大学伯克利分校(University of California in Berkely)的倪新杰(Xingjie Ni音译)展示了他们制作的80纳米(光波波长的1/10)厚的隐形斗篷,其工作原理是利用纳米天线(绝缘体上的小金块)制成超材料改变光线的反射方向,从而实现隐形的目的。目前这种装备需要根据隐藏的物体进行定制,还不能隐藏所有波长的光线,但是已经向梦幻成真     

声超常材料与声隐身斗篷

近年来,声超常材料在很多领域有着迅猛的发展.声超常材料属于人工复合结构或复合材料.由于其结构尺度或材料分布的变化周期远小于声波长,声超常材料具有很多天然材料所不具备的声学特性.超常材料最大的优势在于其能够实现对声波以及弹性波的任意调控.其核心思想在于采用尺寸远小于入射波长的人工结构构建出等效参数满足特定分布的复合材料.超常材料最早萌芽于电磁波领域.     

各向异性超常介质中的反常线性现象

从麦克斯韦方程组出发,结合超常介质的特殊性质,分析了电磁波在一种具有线性色散关系的各向异性超常介质中的传播特性。在线性色散关系的情况下,得到了超常介质的介电张量和磁导率张量各元素之间的条件表达式。根据能量守恒定律和电磁场的边界连续性条件,在横电波(TE)和横磁波(TM)入射时,分析了折射波矢和能流与入射波矢和能流方向之间的关系。发现无论是TE波还是TM波,在这种介质中传输时,都产生了光准直的现象,且TE波和TM波的传输方式是相反的。     

各向异性超常介质中的反常线性现象

从麦克斯韦方程组出发,结合超常介质的特殊性质,分析了电磁波在一种具有线性色散关系的各向异性超常介质中的传播特性。在线性色散关系的情况下,得到了超常介质的介电张量和磁导率张量各元素之间的条件表达式。根据能量守恒定律和电磁场的边界连续性条件,在横电波(TE)和横磁波(TM)入射时,分析了折射波矢和能流与入射波矢和能流方向之间的关系。发现无论是TE波还是TM波,在这种介质中传输时,都产生了光准直的现象,且TE波和TM波的传输方式是相反的。     

动态质量密度和声学超常介质

复合介质的质量密度通常认为是组成它的各种成分的质量密度的体平均值.体平均质量密度常常被用于计算在长波长极限下的声波速度,在此极限下波长比复合介质中的特征尺度要大得多.作者通过严格的数学推导证明,计算(长波长极限下的)波速时所用到的动态质量密度与静态的体平均质量密度有显著的不同.这一发现与最近的实验结果符合得非常好,并且使得声学超常介质的实现成为可能.这两种质量密度之所以不同的物理根源就在于,在波场中复合介质中的各个成分之间有相对的运动.也就是说,隐含的假定——在长波长极限下复合介质中的各个成分必定会全体同相地运动——将不再正确,尤其是当各个成分的声学阻抗之间有较大的差异时.实验和理论显示,对于局域共振声学材料而言,动态质量密度甚至还会变成是负的.文章探讨了这一发现的物理意义,以及它在声学超常介质领域的应用.     

动态质量密度和声学超常介质

复合介质的质量密度通常认为是组成它的各种成分的质量密度的体平均值.体平均质量密度常常被用于计算在长波长极限下的声波速度,在此极限下波长比复合介质中的特征尺度要大得多.作者通过严格的数学推导证明,计算（长波长极限下的）波速时所用到的动态质量密度与静态的体平均质量密度有显著的不同.这一发现与最近的实验结果符合得非常好,并且使得声学超常介质的实现成为可能.这两种质量密度之所以不同的物理根源就在于,在波场中复合介质中的各个成分之间有相对的运动.也就是说,隐含的假定——在长波长极限下复合介质中的各个成分必定会全体同相地运动——将不再正确,尤其是当各个成分的声学阻抗之间有较大的差异时.实验和理论显示,对于局域共振声学材料而言,动态质量密度甚至还会变成是负的.文章探讨了这一发现的物理意义,以及它在声学超常介质领域的应用.     

薄膜型负质量密度声学超常介质

文章作者提出了一种结构简单、易于实现的薄膜型声学超常介质,不仅从实验上证实了它能够在100Hz到1000Hz的低频范围内以200倍的幅度打破声波衰减的质量密度定理,而且还给出了相应的理论解释.由于薄膜弱小的弹性模量,对于一块周边被硬边框所固定的小面积的弹性薄膜而言,仍然存在着各种不同的低频振荡模式.这些振荡模式的本征频率可以通过在薄膜的中央放置一个小的质量块而调整.文章作者惊奇地发现,在位于两个最低的本征频率之间的某个特定频率处,入射的声波几乎完全被反射,此时整个薄膜面内的平均法向位移为零.借助于有限元数值模拟方法,也发现在全反射频率附近薄膜的动态质量密度是负的.实验结果和理论计算符合得非常好.与此同时还发现,微波在某些频率全透射通过金属分型结构的现象可以用类似的机制来解释,而且这些全透射频率也是位于两个局域共振频率之间.     

薄膜型负质量密度声学超常介质

文章作者提出了一种结构简单、易于实现的薄膜型声学超常介质,不仅从实验上证实了它能够在100Hz到1000Hz的低频范围内以200倍的幅度打破声波衰减的质量密度定理,而且还给出了相应的理论解释.由于薄膜弱小的弹性模量,对于一块周边被硬边框所固定的小面积的弹性薄膜而言,仍然存在着各种不同的低频振荡模式.这些振荡模式的本征频率可以通过在薄膜的中央放置一个小的质量块而调整.文章作者惊奇地发现,在位于两个最低的本征频率之间的某个特定频率处,入射的声波几乎完全被反射,此时整个薄膜面内的平均法向位移为零.借助于有限元数值模拟方法,也发现在全反射频率附近薄膜的动态质量密度是负的.实验结果和理论计算符合得非常好.与此同时还发现,微波在某些频率全透射通过金属分型结构的现象可以用类似的机制来解释,而且这些全透射频率也是位于两个局域共振频率之间.     

超常介质中超短电磁脉冲的传输特性研究

将超常介质的色散磁导率合并到非线性极化项中,借鉴常规介质中超短脉冲传输方程的推导方法,得到了非线性超常介质中超短脉冲的传输方程。在德鲁德(Drude)色散模型下,根据脉冲中心频率的不同在传输方程中出现了可正、可负、可为零的自陡峭系数,以及高阶非线性色散项。此外,利用矩方法对传输方程进行分析,得到了超常介质中超短脉冲传输方程的能量守恒定律表达式,揭示了色散磁导率导致的超短脉冲传输的新特性,发现二阶非线性色散使超短脉冲的能量、脉冲频移、脉冲宽度、中心位置和啁啾都随传输距离呈现振荡式变化。     

运用有限差分时域法计算具有径向色散特性的圆柱形隐形斗篷

提出了一种具有径向色散特性有限差分时域法（FDTD法）的电磁隐形斗篷建模.隐形斗篷的介电常数和磁导率是采用了drude色散模型以及相应的色散FDTD算法.数值模拟表明,在理想的条件下,隐形斗篷中的物体对外电磁场是隐形的.对于入射平面波和点声源,波前平滑地进入隐形斗篷,并绕过中心的物体区域,离开隐形斗篷后又恢复为原来的传播状态.远场散射图表明,与一个理想导体圆柱相比隐形斗篷可以减少沿各个方向的散射.     

超常介质中部分相干光束传输的调制不稳定性研究

超常介质与常规光学介质的一个最重要的区别是前者具有色散磁导率,其折射率呈现出可正可负,这样调制不稳定性出现新特点。借助于Wigner变换,从一般的非线性薛定谔方程出发,得到了部分相干光满足Wigner-Moyal的方程,获得了色散关系和增益谱,揭示了部分相干度不仅可抑制调制不稳定性,而且还可以缩小发生不稳定性的频率范围。     

超常介质中暗孤子的形成和传输特性研究

利用一种扩展的双曲函数级数方法求解超常介质中的传输方程，得到了各种不同情形下的暗孤子解，分析了可控自陡效应和二阶非线性色散效应对孤子形成和传输特性的影响.结果表明，超常介质中负的自陡效应使得暗孤子的中心位置随传输距离向脉冲前沿方向漂移，与常规介质中自陡效应(恒为正)的作用相反；特别是，由于二阶非线性色散的作用，使得在没有线性群速度色散的情形下同样可形成孤子，而且在反常线性色散情形也可形成暗孤子.     

近似声斗篷的多层介质覆盖水中弹性球壳的声散射

对水中弹性球壳的低频覆盖层消声效果和消声机理进行研究。声斗篷(Acoustic cloak)是各向异性的超常材料,根据有效介质近似理论(Effective MediumApproximationTheory),采用各向同性多层介质近似各向异性材料的声斗篷,推导出覆盖多层介质水中弹性球壳散射声场的解析表达式,计算了弹性球壳覆盖多层介质前后的散射形态函数、谐振模态以及声场分布,分析了覆盖前后球壳的声散射特性和声传播机理。研究表明,覆盖层内的声波在多层介质之间的声传播方向发生改变,声场形成弯曲变形,声能流绕过目标,这不仅极大的降低了低频散射强度,而且使到达弹性体表面的声场强度非常小,散射频响中除了0阶子波产生的第一个谐振峰外,无法激发弹性球壳的其它谐振模态,有效的抑制弹性球壳的谐振散射。     

超常介质中光轴任意取向时电磁波传播的反常现象研究

当电磁波的传输轴和各向异性超常介质的光轴成任意夹角时,发现在界面处可以产生反常全向全反射和反常负折射现象.导出了电磁波的入射角和能流折射角之间的函数关系,根据此关系可方便地选择合适的介电张量和磁导率张量,使特定入射角所对应的折射是正或是负.此外,发现当入射角小于某一角度时,尤其在垂直入射附近时,透射率最小甚至为零;基于这一特性,提出了一种新型的薄片型高通空间滤波器的构想,和传统的空间滤波系统相比,可以大大减少滤波系统的体积;这一特性也可用于构造空间低频反射器件. 关键词： 超常介质 各向异性 反常传播 空间滤波     

高阶效应影响下亮孤子在超常介质中的传输特性

基于描述超常介质中超短脉冲传输的理论模型,解析得到了超常介质中几种形式的精确亮孤子解及其存在条件.在无损耗的Drude模型下,分析了由于色散的介电常数和磁导率而导致的各阶色散与非线性效应,尤其是高阶效应对亮孤子传输特性的影响.结果表明,高阶色散和高阶非线性效应在亮孤子的形成和传输特性方面起着至关重要的作用.     

超常介质中精确的亮暗类孤子的传输特性

基于超常介质中超短脉冲传输的非线性薛定谔方程,解析得到了两种精确的亮、暗类孤子解,并详细讨论了在超常介质中该亮、暗类孤子的存在条件和传输特性.结果发现,在自散焦超常介质的正、负折射区域,该类亮孤子可以存在于反常色散区,这与常规介质中亮孤子存在于自散焦介质中的正常色散区不同;而在自聚焦超常介质的反常色散区,该类暗孤子可以存在于正、负折射率区,在自散焦超常介质的反常色散区,该类暗孤子仅存在于负折射区间.此外,我们数值研究了该类亮、暗孤子的存在条件不能严格满足时的传输稳定性,结果显示,在一定的归一化频率区间,该类亮、暗孤子都能够较稳定地传输.     

基于电子共振跃迁的光频本征型超常电磁介质

超常电磁介质因其异于普通材料的电磁性质而受到广泛关注,基于周期性谐振结构的超常介质(即超材料)到光频段以后会出现加工困难,且损耗明显,而基于材料本征性质的超常介质却表现出独特的优势.文章简要介绍了三类本征型超常电磁介质的形成机制,它们分别是强各向异性机制、自旋波和等离子体耦合机制以及电子共振跃迁机制.重点介绍了基于电子共振跃迁的超常介质.采用半经典理论分析了气态介质中二能级、三能级体系的电偶极跃迁和磁偶极跃迁过程,总结了极化率和磁化率的一般表达式,综述了基于二能级、三能级及多能级模型获得的气态超常电磁介质.此外,对凝聚态体系中的电子共振跃迁和超常电磁性质关系作了简要阐述.最后,对采用实验方法实现的这种本征型超常电磁介质进行了简要分析.     

神奇的隐声斗篷

"隐声斗篷"是一种新型的隔音材料,它能使入射声波沿斗篷表面无反射地绕行,从而对斗篷保护下的物体产生"隐声"效果。美国杜克大学的Steven Cummer博士等人在研究中发现光学隐身的数学原理同样适用于声波,从而提出了隐声斗篷     

具有电与磁非线性效应超常介质中光束的聚焦特性

基于Drude模型,采用解析法与数值模拟法研究了具有电与磁非线性效应超常介质中光束的聚焦特性。结果表明超常材料中光束聚焦现象不但可以发生在自聚焦非线性介质中（正折射区）而且可以发生在自散焦非线性介质中（负折射区）,且光束中心频率离介质的等离子频率越近,其聚焦效应越明显。特别是当电与磁非线性极化率为异号时,超常介质的非线性符号可以通过调控电与磁等离子频率的相对大小控制,这为主动操控光束的传输提供一种新的自由度。     

自陡峭效应影响下超常介质中精确的类孤子研究

以超常介质中超短脉冲传输的归一化非线性薛定谔方程为模型,采用拟解法解析得到了自陡峭效应影响下的一组新型的精确亮、暗类孤子解。研究发现,当自陡峭效应、群速度色散和赝五阶非线性效应达到平衡时,在正折射自聚焦超常介质的反常色散区,既可以存在亮类孤子也可以存在暗类孤子,但亮、暗类孤子具有不同的脉宽、频移、速度和波数。这与自聚焦常规介质中亮孤子存在于反常色散区而暗孤子存在于正常色散区明显不同。最后,数值研究了存在条件偏离和白噪声干扰下该新型类孤子的稳定性,结果表明该亮、暗类孤子都能保持自身形状比较稳定的在超常介质中传输。