基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.     

零折射率材料的物理与应用

零折射率材料因其异常的电磁/光学特性在电磁波操控、新型天线和波导器件、非线性光学、光学吸收、电光调制等领域有着广泛的应用前景。文章首先介绍了零折射率材料的分类和实现方法,然后总结了零折射率材料的基本概念和电磁/光学特性,包括电磁波在零折射率材料中的折射、反射特性和“隧穿”效应,掺杂杂质对二维和三维体系的零折射率材料的影响,各向异性零折射率的电磁特性,零折射率材料内外的电场分布特性;最后介绍了零折射率材料的部分典型应用,并对零折射率材料的研究进行了展望。     

二维近零折射率声学材料的负向Schoch位移

对二维声学超材料与常规材料界面处的负向Schoch位移进行了研究.研究表明,在界面处增加合适厚度的覆盖层,当声波在某一频率附近从常规材料向近零折射率材料传播时,反射声波相对于入射声波会在界面处发生负向Schoch位移,此时,超材料的有效体积模量倒数值趋近于零从而使它成为一种折射率近零的声学材料;同时,超材料有效阻抗的极...     

聚焦法测量梯度折射率透镜的折射率分布

本文针对梯度折射率分布的透镜(以后简称梯析透镜)与光纤在折射率分布上的不同点,对用于光纤及其预制棒测量的聚焦法的原理公式,计算测量方法等进行了重要改进,从而使聚焦法可适用于梯折透镜的测量.本文通过计算机模拟计算,对原理公式及计算方法的准确性和可靠性进行了验证,并同时给出了这一测量方法的精度,最后给出了测量实例及其比较结果.     

零电磁材料聚焦器

基于二维LC网络,设计了一种零电磁材料聚焦器,导出了该器件等效节点电压分布矩阵,研究了聚焦区域为三角形、四边形、六边形、八边形的电磁聚焦器,并在此基础上仿真了形状和尺寸对其聚焦特性的影响。结果表明：当聚焦区域小于两倍波长时,该器件的特性与聚焦区域的形状无关; 当聚焦区域逐渐增大时,焦点的能量也随之增强; 当聚焦区域大于两倍波长时,主焦点逐渐消失,同时将产生多个副焦点。     

负折射率平板透镜系统中的光束聚焦及相位补偿特性

利用平面角谱理论,建立厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束在负折射率平板透镜系统中的傍轴传输模型,研究负折射率平板透镜中厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束强度聚焦及相位补偿特性。结果发现:负折射率平板透镜产生的反向Gouy相移可以补偿空气中Gouy相移导致的相差,因而在满足相位匹配条件下,光束在物平面和像平面之间的相差为零;当强度聚焦和相位匹配条件同时满足的条件下,光束在物平面强度和相位分布可在像平面实现完全重构。     

负折射率平板透镜系统中的光束聚焦及相位补偿特性

利用平面角谱理论,建立厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束在负折射率平板透镜系统中的傍轴传输模型,研究负折射率平板透镜中厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束强度聚焦及相位补偿特性。结果发现:负折射率平板透镜产生的反向Gouy 相移可以补偿空气中Gouy相移导致的相差,因而在满足相位匹配条件下,光束在物平面和像平面之间的相差为零;当强度聚焦和相位匹配条件同时满足的条件下,光束在物平面强度和相位分布可在像平面实现完全重构。     

零折射率材料平板的透射特性研究

零折射率材料是近几年发展起来的一种新型超构材料.它性质奇特,应用广泛,不仅活跃在科研前沿,也很值得推介到物理课堂.本文从经典电动力学出发,理论分析并数值模拟了零折射率材料内部电场、磁场的分布特性,以及零折射率材料平板的电磁透射特性.结果表明:对于双零折射率材料的平板,在与空气阻抗匹配的条件下,其透过率不随平板厚度的变化而变化,大小始终保持为1;而单零折射率材料的平板的透过率随着平板厚度的增加而减小.文章进一步分析了产生这两种特殊透射特性的原因.研究结果对于理解零折射率材料的特性以及设计零折射率材料的功能器件有很好的指导意义和参考价值.     

近零介电常数材料用于天线口面加载研究

近零介电常数材料常用于口面加载以修正天线波前相位,提高口径效率。在对以往金属线阵周期结构研究基础上,提出了介质镀膜板周期结构的近零介电常数材料,并基于NRW本构参数法计算得到了该材料的等效介电常数,依据口面相位差平方和最小原则研制了中空形式的介质镀膜中空板加载结构。实验结果表明,X波段角锥天线加载后其主轴增益最大提高了1.8 dB,口径效率从原有0.4提高至0.6以上,相对工作带宽大于10%。     

声子晶体和声学超构材料

声子晶体和声学超构材料进一步拓展了自然界中声学材料的弹性波性质.这种人工的复合结构材料,由于其周期结构的布拉格散射和局域共振特性,使得其具有奇异的色散特征,在某些频段具有负的有效弹性参数,带来了许多新颖的声学传播效应,例如声子带隙效应、负折射效应、超棱镜效应、超透镜效应、异常透射效应、异常隔声效应等.与此同时,在声子晶体和声学超构材料表面,一类具有亚波长特性的声表面倏逝波也引起了人们的关注,研究其激发、传播、耦合的过程对揭示声子晶体和声学超构材料的奇异声传播效应的物理本质具有重要意义.声子晶体和声学超构材料作为一类新型的人工声学结构材料,在隔声、防振、热控制以及新型声学器件研发等方面具有巨大的应用前景.文章综述了近十几年来国际国内关于声子晶体和声学超构材料的研究进展,并对其未来的研究发展方向做一评述.     

Membrane-based acoustic metamaterial with near-zero refractive index

We investigate a one-dimensional acoustic metamaterial with a refractive index of near zero(RINZ) using an array of very thin elastic membranes located along a narrow waveguide pipe. The characteristics of the effective density, refractive index, and phase velocity of the metamaterial indicate that, at the resonant frequency fm, the metamaterial has zero mass density and a phase transmission that is nearly uniform. We present a mechanism for dramatic acoustic energy squeezing and anomalous acoustic transmission by connecting the metamaterial to a normal waveguide with a larger cross-section. It is shown that at a specific frequency f_1, transmission enhancement and energy squeezing are achieved despite the strong geometrical mismatch between the metamaterial and the normal waveguide. Moreover, to confirm the energy transfer properties, the acoustic pressure distribution, acoustic wave reflection coefficient, and energy transmission coefficient are also calculated. These results prove that the RINZ metamaterial provides a new design method for acoustic energy squeezing,super coupling, wave front transformation, and acoustic wave filtering.     

折射率渐变透镜的数值设计

传统折射率渐变透镜的设计要求初级馈源天线具有稳定的相位中心,这就限制了透镜的应用范围。为拓宽透镜的应用范围,提出了一种折射率渐变透镜的数值设计方法,通过对馈源天线的极化电场离散采样获得相位信息,并据此设计透镜,随后用金属短线结构的新型人工电磁材料来实现这种透镜。这种设计方法简单灵活,对馈源天线没有限制。以经典矩形贴片天线为例,比较了贴片天线和透镜天线的回波损耗和远场方向图,结果表明运用这种方法设计的透镜使贴片天线的增益提高了2 dB,口径效率从62%提高到了99%。     

折射率渐变透镜的数值设计

传统折射率渐变透镜的设计要求初级馈源天线具有稳定的相位中心,这就限制了透镜的应用范围。为拓宽透镜的应用范围,提出了一种折射率渐变透镜的数值设计方法,通过对馈源天线的极化电场离散采样获得相位信息,并据此设计透镜,随后用金属短线结构的新型人工电磁材料来实现这种透镜。这种设计方法简单灵活,对馈源天线没有限制。以经典矩形贴片天线为例,比较了贴片天线和透镜天线的回波损耗和远场方向图,结果表明运用这种方法设计的透镜使贴片天线的增益提高了2 dB,口径效率从62%提高到了99%。     

Acoustic focusing through two layer annuluses in air

We report an acoustic focusing lens composed of two-layer annuluses made of metal cylinders in air. We find that the cylindrical waves can be focused into a perfect point without diffraction in the centre of the annuluses, which arises from the Mie-resonance modes in the annuluses. The focusing frequencies are related to the size of the inner annulus, and the focusing effect can be applied to the annuluses with different shapes and incident positions. Interesting applications of the focusing lens in the acoustic beam splitter and directional transmitter with energy enhancement are further discussed.     

Effect of spiral left-handed material with near-zero index on rectangular microstrip antenna

In this paper, spirals are arranged periodically on the surface of the substrate, making a left-handed material (LHM) with a near-zero index of refraction. A radiation patch is etched on the surface of this substrate, making an antenna. The finite difference time domain method is used to study the effect of this LHM with a near-zero index of refraction on the microstrip. At f=13.78 GHz, the equivalent permittivity and permeability of the proposed spiral materials are both negative; at f=28.02 GHz, the equivalent permittivity and permeability are both negative and the refraction index is near zero. Compared with conventional microstrip antenna, the radiation gain of the antenna is much higher and the return loss is much lower due to the near-zero-index effect.     

超低折射率特异材料天线

采用金属网格和泡沫材料实现低折射率材料媒质,并对其参数进行了优化,辐射源采用单极天线,制作了样机。利用HFSS电磁仿真软件对应用低折射率材料媒质天线与传统天线的方向性进行了对比研究,并研究了辐射源的参数对定向天线的性能影响。对样机进行了测试,测试结果与仿真结果比较吻合,与传统天线相比较,基于超低折射率特异材料的天线方向性明显提高。因此,选择适当电磁参数的超低折射率特异材料,用于定向天线的设计,可以改变传统天线的设计。     

磁电超材料折射率特性分析

基于麦克斯韦旋度方程, 将磁电超材料板中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过计算这些周期性面电流和面磁流在某个磁电超材料板上产生的总电场和总磁场, 获得了关于面磁流密度和面电流密度的两个方程, 进而推导出了周期性磁电超材料折射率与磁元件的磁导率、 电元件的介电常数和空间色散项之间关系的解析公式. 与传统的折射率计算公式不同, 该解析公式充分考虑到了空间色散以及磁电超材料的电元件和磁元件的相互作用. 折射率理论曲线和基于仿真实验数据的提取值曲线能很好地符合, 这说明文中推导的折射率公式能够正确地描述磁电超材料的负折射特性. 本文的结果将为分析电磁元件之间的相互作用以及设计负折射率符合一定要求的磁电超材料提供重要的理论参考. 关键词： 磁电超材料 周期性结构 负折射率     

外推法测定半导体材料的折射率

利用半导体激光器，根据菲涅耳公式及折射定律，测量了部分半导体材料的复折射率的实数部分．     

基于热声相控阵列的声聚焦效应

研究基于热声相控阵列的宽频带声聚焦效应.设计新型热声相位控制单元,通过改变单元的空气温度控制声波波速,实现声波透射与反射相位延迟覆盖2π区间.设计四种不同类型的热声相控阵列聚焦透镜,采用8种或2种热声相位控制单元分别实现了透射与反射声聚焦效应.与其他类型的声聚焦透镜相比,热声相控阵列聚焦透镜具有宽频带、高聚焦性能、设计方案简单等优点.