封面故事

<正>Luneburg透镜,一个经典的渐变折射率分布的球形透镜,具有无像差理想成像和理想聚焦的新奇物性。通过三维空间中渐变折射率介质调控其光传输特性,从而实现传统单一的均匀介质透镜器件所不具有的消像差、大视场的功能,在纳米光子学、集成光学、通信光纤等领域具有重要应用潜力。根据有效介质近似理论,其内部渐变的折射率分布可通过渐变超材料等效为渐变折射率介质来实现,但受现有微纳加工方法的限制,目前已     

基于吸聚一体的低散射传输型透镜设计

通过传输型超表面透镜与电路模拟雷达波吸收器的集成设计,提出了一种兼具透射波前变换与带外雷达散射截面减缩特性的微波复合材料设计方法。透镜采用亚波长分布的周期性单元,由梯度相位补偿对透射波进行调节,进而获得平面波前与球面波前之间的互易变换。并且,使用透镜在波前变换频带以外低频端的反射特征,结合单个有耗层设计,构造了电路模拟吸波器。选用一副缝隙耦合馈电的微带贴片天线单元作为初级馈源天线,观察到复合材料的波前变换特性可在宽频带范围内产生主瓣增益增强效果。与透镜相比,电路模拟吸波器的引入使得复合材料针对TE与TM极化分别可在130.68%与155.11%的频率范围内获得雷达散射截面减缩效果。通过全波模拟和实验测量,验证了辐射增益增强与雷达散射截面减缩效果,表明了复合材料吸聚一体设计的有效性。     

基于光纤旋转连接器的光纤耦合效率研究

基于渐变折射率透镜准直器一定程度上可以提高空间光-光纤耦合效率,但会引入光纤与渐变折射率透镜装配误差和渐变折射率透镜间位置误差。鉴于以上两种误差情况,本文提出了修正光纤与渐变折射率透镜装配误差的位移法和基于楔形棱镜和平板玻璃的光束指向调整法。首先运用光线传输矩阵的数学分析方法建立了光线传输模型,分析当光纤与渐变折射率透镜存在距离误差和位置误差下耦合效率的变化,最后利用位移法降低了距离误差对插入损耗的影响,使系统插入损耗降低至0.2 dB。在存在位置误差下利用光束指向调整法降低插入损耗至0.7 dB。这两种方法可以有效提升光纤旋转连接器耦合效率。     

基于组合透镜与渐变折射率光纤改进激光器耦合效率的新方法

提出一种利用组合透镜系统与渐变折射率光纤相结合改进激光 器管芯到单模尾纤耦合性能的新方法. 这种方法首先利用组合透镜系统对具有像 散的激光器输出光束进行整形, 然后采用渐变折射率光纤对整形后的光束进行聚焦处理, 并将处理后的的光束耦合进入普通单模光纤. 利用Jones矩阵理论分析表明, 采用这种方法可以得到86%的功率耦合效率, 1 dB插入损耗对应的渐变折射率光纤长度、 横向偏移和倾斜角容差分别为60 μm, 30 μm和2.4°, 且结构简单, 便于操作, 特别适合于大功率激射的激光模块到单模光纤的耦合. 对于提高激光器输出功率, 改善光束质量具有重要意义.     

基于单层线-圆极化转换聚焦超表面的宽带高增益圆极化天线设计

基于线-圆极化转换原理和聚焦超表面相关理论,设计了一种反射型宽带线-圆极化转换聚焦超表面,并结合线极化馈源设计了宽带的高增益圆极化天线.首先,提出了一种单层的变形十字超表面单元,单元具有极化独立特性,并且能够在10—14 GHz宽频带范围实现对反射波相位360?范围全调控,同时利用该单元构建的一维超单元很好地验证了奇异反射现象.然后,分别控制单元横向和纵向尺寸的分布构建出同时满足线-圆极化转换和聚焦条件的双功能超表面.最后,采用Vivaldi天线作为馈源对超表面进行照射组成天线系统,仿真及测试结果均表明天线系统同时实现了高增益和线-圆极化转换,系统的-1 d B带宽为24%,-3 d B轴比带宽为29.8%.本文的设计充分体现了超表面对电磁波相位和极化操控的灵活性,具有显著的应用前景.     

变折射率透镜的研究和发展现状

变折射率介质是折射率按一定规律变化的介质,又称为非均匀介质、梯度折射率介质或渐变折射率介质.这种介质在自然界普遍存在.早在公元100年,就有人研究大气层(非均匀介质)的折射现象.在光学系统中,麦克斯韦在1854年首先设计了折射率对某点呈球对称的“鱼眼”透镜.1905年,伍德设计了一个折射率和径向距离有关的伍德透镜.但由于制作工艺没有解决,因而变折射率透镜发展十分缓慢. 1968年,日本北野一郎等人[1]首先采用离子交换工艺制成变折射率透镜,称为自聚焦透镜.此后,人们对这领域的理论、制作工艺、测试、光学设计、加工、器件等方面作了较深…     

近红外偏振无关超透镜研究

基于微纳结构对光波调控实现聚焦与成像的超透镜是目前国际上竞相发展的前沿技术。本文针对目前已报道的近红外超透镜偏振相关、系统复杂以及透过率低等难题,提出了一种偏振无关的近红外超透镜。以低折射率材料SiO₂为基底,高折射率材料Si圆形柱为相位调控单元,设计波长为1.31 μm。利用时域有限差分方法分析了近红外超透镜构建单元的光波调控特性,构建了构建单元的相位延迟特性曲线,探究了构建单元周期对光波透过率的影响规律,实现了构建单元的优化设计,并基于波前重构方程,设计出偏振无关的近红外超透镜。数值仿真结果表明:相位调控单元的相位延迟与透过率不仅取决于Si圆形柱半径、高度,而且与单元周期密切相关;基于分析的构建单元光波调控特性,设计的近红外偏振无关超透镜焦距仿真值为19 μm,与设计值较好吻合,透镜透过率达到65%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻,而且为平面透镜,因此易于光学系统集成,在激光雷达、激光夜视等技术中展现出广阔的应用前景。     

高功率超宽带馈源设计与实验

针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源, 提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线TEM喇叭的馈源设计方法, 采用数值模拟研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性, 并进行了测试实验。结果表明:该种馈源结构在较小的体积下具有低反射、高带宽和高馈电效率的优点。该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线。     

高功率宽频比C/X双频反射阵列天线设计

为了满足高功率微波系统对宽频比双频辐射天线的研究需求,提出了一种可工作在C/X双频段的高功率圆极化反射阵列天线。天线单元采用介质埋藏的贴片单元形式,贴片部分由外圈的椭圆环贴片嵌套内圈的椭圆贴片组成,分别实现低频（C波段）和高频（X波段）的辐射。这种嵌套式的单元形式使得天线可以实现较宽的频比,同时由于单元采用无突变结构且单元被埋藏在介质中避免了三相点的出现,从而具有较高的功率容量。高低频段的两种贴片都采用绕轴旋转的方式来调节反射相位,可以在反射损耗较小的基础上满足360°的反射相位调节。基于以上双频辐射单元设计了一个口径尺寸为400 mm×400 mm的20×20矩形栅格排布反射阵列天线,设计结果表明天线在4.3 GHz下的增益为22.2 dBi,口径效率为40.2%,常压空气中的功率容量为10.4 MW;在10.4 GHz下的增益为29.9 dBi,口径效率为40.5%,常压空气中的功率容量为12.2 MW。该天线高低工作频率的频比达到2.4,且具有高效率和高功率容量的特点。     

一种具有Luneburg透镜特性的轴向GRIN介质透镜

本文给出一种轴向GRIN(梯度折射率)介质透镜。这种透镜具有 Luneburg(卢内堡)透镜的特性。它可以使无限远光线锐成象;亦可用于点—点锐成象系统,光准直或光准直—聚焦系统;在微波频谱区域及有声成象、天线设计方面有一定应用价值。     

A novel receiver-transmitter metasurface for a high-aperture-efficiency Fabry-Perot resonator antenna

This paper presents a novel coupled receiver-transmitter metasurface (MS) which is used to realize a high-aperture-efficiency Fabry-Perot resonator antenna. The unit cell of the MS adopts a slot-coupling procedure to realize energy transmission from the receiver patch to the radiator patch. This approach makes it easier to independently control the transmission magnitude and phase. Based on this characteristic, the transmission coefficients of different unit cells on the MS can be optimized by a genetic algorithm. Then, nearly uniform electric amplitude and phase distribution across the aperture field of the antenna are achieved. Therefore, the gain and aperture efficiency of the antenna are improved. A prototype of the optimized antenna is fabricated and measured to validate the design. The measured gain of the fabricated antenna reaches 17.3 dBi with an aperture efficiency of 94.5%. A higher aperture efficiency is obtained with the proposed antenna which has a low profile and simple structure.     

High-gain composite microstrip patch antenna with the near-zero-refractive-index metamaterial

A high-gain rectangular microstrip patch antenna which is covered by a single layer metamaterial (MTM) superstrate with the near zero refractive index is proposed. The refraction of the metamaterial at frequency 3.51 GHz–3.57 GHz is very close to zero. The metamaterial with the near zero refractive index is placed 42 mm above an ordinary rectangular microstrip patch antenna. The effectively zero refractive index behavior of metamaterial superstrate can gather the wave emitted from the microstrip patch antenna and collimate it toward the normal direction of the antenna. The finite element method (FEM) and the finite difference time domain (FDTD) method are used to study the characteristics of this antenna. The results of the two methods indicate that the realized gain of the proposed antenna is increased by more than 6 dB, and the antenna has a flatness high gain in the predicted frequency band, where the proposed MTM is designed to have a near zero index of refraction. Therefore, the high-gain antenna is effectively enhanced based on the near-zero-refractive-index metamaterial.     

Ultra-thin single-layer transparent geometrical phase gradient metasurface and its application to high-gain circularly-polarized lens antenna

A new method to design an ultra-thin high-gain circularly-polarized antenna system with high efficiency is proposed based on the geometrical phase gradient metasurface(GPGM).With an accuracy control of the transmission phase and also the high transmission amplitude,the GPGM is capable of manipulating an electromagnetic wave arbitrarily.A focusing transmission lens working at Ku band is well optimized with the F /D of 0.32.A good focusing effect is demonstrated clearly by theoretical calculation and electromagnetic simulation.For further application,an ultra-thin single-layer transmissive lens antenna based on the proposed focusing metasurface operating at 13 GHz is implemented and launched by an original patch antenna from the perspective of high integration,simple structure,and low cost.Numerical and experimental results coincide well,indicating the advantages of the antenna system,such as a high gain of 17.6 d B,the axis ratio better than 2 d B,a high aperture efficiency of 41%,and also a simple fabrication process based on the convenient print circuit board technology.The good performance of the proposed antenna indicates promising applications in portable communication systems.     

高极化纯度的超表面透镜设计与应用

针对超表面在透镜方面的应用,基于各向异性超表面单元设计了一款高极化纯度的聚焦超表面透镜,并探讨了其在高增益高极化纯度天线方面的应用.设计了一款具有极化滤波特性的各向异性超表面单元,单元对x极化波保持高透性的同时,对y极化波保持近乎为零的透射率.利用该型单元设计了焦距为30 mm、阵列大小为105 mm×105 mm、单元数为21×21的聚焦超表面透镜.根据光路可逆原理,焦点处发出的球面波被超表面透镜有效转化为平面波,从而达到提高天线增益的目标.实验中分别用不同极化形式的球面波照射聚焦超表面来研究超表面对不同极化波的控制特性.结果表明,x极化波照射时,超表面工作于透镜模式,球面波转化为平面波,天线增益大大提高;y极化波照射时,超表面类似于金属板,将入射波全部反射;x/y极化混合波照射时,天线增益大大提高,且极化隔离度高于25 dB,充分说明设计的聚焦超表面在提高x极化波增益的同时可高效滤除y极化波,达到了高增益高极化纯度的目标.     

一种辐射零点可控的紧凑型滤波贴片天线

提出了一种辐射零点可控的紧凑型滤波贴片天线。该滤波天线以基本的微带贴片天线为原型,主要由一个简单的金属辐射贴片和两个对称的分割形槽组成。两个分割形槽蚀刻在金属贴片上,使得高/低频段分别产生两个宽边辐射零点,从而引入滤波选频功能。该结构未引入额外滤波电路和其他寄生单元,节省了空间尺寸,结构更加紧凑;两个辐射零点独立可控,提高了设计的灵活度。且在实现滤波选频功能的同时,对天线增益的影响很小。利用HFSS仿真软件优化滤波天线结构,制作了一个实物模型并进行了测试。测试结果与仿真结果基本一致。测试结果表明,提出的滤波天线工作在2.40 GHz,两个独立可控的辐射零点分别位于1.96 GHz和2.66 GHz,平均实际增益约为7.0 dBi,带外抑制水平超过39 dB。     

梯度折射率球透镜的制备及其光线轨迹测试

自麦克斯韦鱼眼透镜理论模型提出后,长期以来学术界一直以为它只是一种绝对光学仪器,在实践中并没有应用的可能。但通过对麦克斯韦鱼眼微球透镜的理论研究表明,在一定条件下,它具有良好的成像性能和耦合效率。根据菲克定律推导出梯度折射率球透镜的折射率分布函数。并且熔制了含Li+硅酸盐玻璃和采用槽沉法以及Na+/Li+离子交换法制备直径为0.3—3.0mm的梯度折射率球透镜。通过干涉法测得了梯度折射率球透镜的折射率分布曲线,并研究了光线通过梯度折射率球透镜的轨迹。研究结果表明:在590℃,离子扩散系数为3.07×10-6mm2/s;所制备的梯度折射率球透镜的折射率分布是抛物线分布,并且和理论分析相吻合;梯度折射率球透镜的光线轨迹满足椭圆方程。     

L/S/C/X四频高隔离共口径微带天线设计

首次设计实现了一款能同时工作在L/S/C/X四个频段的高隔离共口径低剖面微带天线。整体结构通过依次按照频率从低至高的顺序自下而上将4个频段的微带天线堆叠而成,采用同轴探针穿过低频辐射贴片形成过孔给高频天线馈电,同时将低频天线作为其上层高频天线的地,以提高天线指标与性能。其中L/S/C波段的辐射贴片采用在矩形辐射贴片四周添加枝节的方式,更利于阻抗调节;X波段置于最顶层,通过对矩形贴片进行开槽处理,避免了对其它频段的辐射遮挡;通过采用中和线去耦合及正交馈电的方法,最终实现了4个频段内增益分别为6.85,7.48,6.13,6.62 dBi;各端口之间隔离均大于30 dB;天线尺寸为85 mm×85 mm×9.07 mm;通过实物加工,测试与仿真结果吻合良好,验证了设计的有效性和可靠性。     

Electromagnetic wave chaos in gradient refractive index optical cavities.

Electromagnetic wave chaos is investigated using two-dimensional optical cavities formed in a cylindrical gradient refractive index lens with reflective surfaces. When the planar ends of the lens are cut at an angle to its axis, the geometrical ray paths are chaotic. In this regime, the electromagnetic mode spectrum of the cavity is modulated by both real and ghost periodic ray paths, which also "scar" the electric field intensity distributions of many modes. When the cavity is coupled to waveguides, the eigenmodes generate complex series of resonant peaks in the electromagnetic transmission spectrum.     

Fabrication of gradient refractive index ball lenses

The theoretical model of the Maxwell fish eye sphere lens has long been regarded as an absolute optical instrument without practical application since it was proposed. But the study on the theory of Maxwell fish eye micro-spherical lens shows that at certain condition it has fine image formation ability and coupling efficiency. Based on the Fick's diffusion equations, the distribution function of refractive index of gradient refractive index (GRIN) ball lenses is derived. Lithium-containing silicate glass is fabricated and GRIN ball lenses whose diameters are from 0.3 to 3.0 mm are made by ion exchange and the sagging method in sodium nitrate. Radial refractive index profiles of these GRIN ball lens are measured by interferometer. Results show that the distribution of the index of refraction is a parabolic curve and in concordance with the computational consequence and its Δn is 0.0002.