基于场变换的毫米波半波片设计

极化转换是电磁波调控的重要研究方向之一.本文基于场变换理论提出一种宽入射角的宽带毫米波半波片.基于等效媒质理论,该半波片可由亚波长厚度的两种介电常数不同的材料周期性排布后旋转45°得到.通过设计控制两种材料的介电常数、高度比值以及整个半波片的厚度可以在毫米波段实现极化转换的功能,此设计具有低损耗和高转化效率的特点.此半波片能实现横电波与横磁波的相互转换以及圆极化波的相互转换,极化转换-3 dB相对带宽达49%.仿真和实测结果相符,验证了该半波片宽带高效的极化转换效果.在入射角为60°时,极化转换-3 dB带宽依然能够达到36%左右.     

非线性左右手媒质界面的Goos-H(a)nchen位移

由均匀平面电磁波在左右手媒质界面满足的切向边界条件出发,推导了电磁波由线性传统媒质入射到非线性左手媒质时波的传播特性.利用时间延迟的方法,给出全反射情况下媒质界面非线性Goos-Hǎnchen位移表达式.分析了非线性左手媒质界面的侧向位移随入射角及入射波电场强度的变化关系,发现入射波场强对传输特性起决定作用:当入射波电场小于临界场强时,调节入射场强可以控制相应的侧向位移;当入射波电场大于临界场强时,不再满足全反射条件,部分入射波透射到非线性介质中.波导中加入非线性介质不仅可以调节侧向位移的大小,且可以实现对入射波场强的控制.     

基于FDFD方法周期结构的薄膜太阳能电池特性

利用非均匀媒质界面等效参量提取方案结合频域有限差分方法对周期结构薄膜太阳能电池的光学特性进行了数值分析及机理探究.结合等离子体共振条件,研究了两种设计结构的反射、传输、吸收特性及场分布特性,结果表明在低频点,介质和银分界面的场强明显增强,吸收明显增大.探讨了增强因子与结构、入射波长及入射角度间的关系,并分析了其内在的物理机理.结果表明,增强因子在低频时较大且随入射角度增大而增大,最大可达5.7.     

基于蘑菇型结构的双入射超宽带复合媒质材料设计与分析

通过设计一定的单元结构, 可以实现超宽带人工电磁材料. 基于蘑菇型金属结构, 提出了一种同时具有左右手通带无缝结合的超宽带双入射型复合媒质材料结构单元. 该结构由嵌入到介质板的两个反向对称的蘑菇型金属结构组成, 能够同时引发电谐振和磁谐振而得到左手通带. 通过利用CST软件仿真、等效电磁参数提取、折射率计算以及建立等效磁谐振电路模型等方法, 分析验证了该结构的双入射特性和左手特性. 仿真结果表明, 在电磁波垂直于介质板和平行于介质板入射两种情况下, 在X波段均表现出左手通带特性, 并具有1 GHz以上的左手带宽. 当电磁波垂直于介质板入射时, 在7.2 GHz-9.3 GHz频段为右手通带, 在9.3 GHz-11 GHz频段为左手通带; 当电磁波平行于介质板入射时, 在7.0 GHz-9.0 GHz频段为右手通带, 在9.0 GHz-10 GHz频段为左手通带. 在两种情况下分别于9.3 GHz与9.0 GHz处得到了零折射率, 从而构造了一种正-零-负复合媒质材料, 实现了具有3 GHz带宽的双入射超宽带平衡结构.     

非线性左右手媒质界面的Goos-Hänchen位移

 由均匀平面电磁波在左右手媒质界面满足的切向边界条件出发,推导了电磁波由线性传统媒质入射到非线性左手媒质时波的传播特性。利用时间延迟的方法,给出全反射情况下媒质界面非线性Goos-Hänchen位移表达式。分析了非线性左手媒质界面的侧向位移随入射角及入射波电场强度的变化关系,发现入射波场强对传输特性起决定作用:当入射波电场小于临界场强时,调节入射场强可以控制相应的侧向位移;当入射波电场大于临界场强时,不再满足全反射条件,部分入射波透射到非线性介质中。波导中加入非线性介质不仅可以调节侧向位移的大小,且可以实现对入射波场强的控制。     

基于变换光学的椭圆形透明聚集器的设计研究

基于麦克斯韦方程组在不同坐标系下具有形式不变性以及变换光学理论, 通过设计材料的本构参数(介电常数和磁导率)来引导电磁波的传播, 提出了具有电磁透明和电磁聚集两种功能的新型电磁器件-椭圆形透明聚集器的设计方法. 电磁波透明体不会阻挡电磁波的传播并且能够与斗篷内部进行交互; 电磁波聚集器是当电磁波入射到该装置上时, 电磁波能够被设计的装置按照要求集中到一个区域或者一个点, 实现电磁波能量的集中. 本文利用压缩变换和扩展变换推导出了这种电磁器件中各层的相对介电常数和相对磁导率的张量表达式, 并利用基于有限元算法的电磁仿真软件对该电磁器件进行了全波仿真验证, 得到了入射波从各个不同方向入射时磁场z 分量的分布图, 仿真结果证实了该设计方法和电磁参数的正确性. 最后还讨论了电磁器件存在损耗时的情况, 当损耗逐渐增大时, 器件的功能在一定程度上受到了削弱. 本文的设计方法为其他新型电磁器件的设计提供了一种新的思路.     

电磁辐射作用于计算机主板的模拟及效应评估

 提出了一种电磁辐射（EMR）效应评估的方法：通过区域分解并且引入子域敏感因子,采用电场强度的加权平均作为EMR效应评估的参考指标。以一款普通计算机主板作为研究对象,使用时域有限差分法（FDTD）进行模拟计算,得到了EMR作用下计算机主板耦合的电磁场分布。基于该效应评估方法,比较了3~12 GHz 的平面电磁波在0°~90°入射时对计算机主板的效应。数值模拟结果表明：随着平面电磁波入射角度的增加,EMR对计算机主板的影响趋于减弱;EMR频率的变化对效应没有显著影响。当EMR入射角度为40°时,最高主板表面耦合的电场强度达到最大值;0°入射时,主板上平均电场强度达到最大值;随着入射EMR频率的升高,主板表面的最大电场强度趋于减弱。     

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     

基于反射超表面的偏馈式涡旋波产生装置

由于具有拓宽信道的能力,携带轨道角动量的涡旋电磁波已经受到越来越多学者的研究.目前,基于反射式涡旋波发生装置仍然存在两个问题需要解决:1)馈源的遮挡;2)由馈源和反射表面所引起的交叉极化分量.本文提出了一种基于超表面的偏馈式涡旋波产生装置,该装置包括超表面反射阵和非正对区域放置的天线馈源.本文主要贡献为以下三方面:1)设计了一种几何相位的超表面单元;2)主、交叉极化的转化过程被详细分析;3)具体的偏馈式涡旋波产生装置被设计.通过合理设计超表面单元,实现了仅对馈源主极化场的相位补偿与汇聚调控,最终在期望的观测位置形成具有场增强效果的低交叉极化涡旋波.仿真与实验分别验证了极化选择特性与汇聚涡旋波的形成.该装置结构简单,具有极化选择性和区域场增强效果,对涡旋波通信及相关应用具有潜在价值.     

激光入射角度对薄膜热场分布影响的数值分析

在多层介质薄膜中，激光的入射方式是影响薄膜抗损伤能力的关键因素之一.提出了一种模拟锥角高斯光入射多层介质薄膜后电场和热场分布的方法.该方法能够分析薄膜中高斯光各个角谱分量叠加形成的电场分布，进而得到由于薄膜本征吸收产生的热量沉积以及薄膜内部的温度场分布.针对中心波长为4.3 μm的中红外高反膜进行了分析，给出了高反膜系的温升峰值随激光入射角度和偏振态的变化.结果表明：对于s偏振光，斜入射时膜系的最高温升峰值高于垂直入射峰值，而p光的结果则相反.此种模拟方法克服了原有方法对激光入射角度的限制，较好地反映出斜入射情况下激光偏振态对薄膜损伤的影响. 关键词： 多层介质薄膜 高斯光 热过程 数值分析     

多频带太赫兹滤波器的设计

基于不同大小形状的谐振环对电磁场不同响应的原理,设计了一种由6个嵌套式的方形封闭谐振环结构（CRR）组成的多频带太赫兹滤波器。通过利用时域有限差分法(FDTD)对该滤波器的透射特性进行研究,结果表明:当电磁波正入射或斜入射到谐振环所在平面时,能够出现六频带的滤波性,并且其透射系数对入射角度的变化并不敏感。该设计增加了滤波频带的个数,提高了滤波器对频率的敏感度,为多频带传感器、太赫兹通信技术等领域提供了理论方法。     

各向异性介质缺陷单负媒质光子晶体的新型缺陷模

电负媒质和磁负媒质组成的一维光子晶体中存在一种几乎不受电磁波入射角和极化影响的零相位能隙.为了能够调节这种能隙的频率,通过在此类光子晶体中心插入一层各向异性媒介,构造出两层电负扣磁负媒质交替的一维光子晶体.采用Berreman 4×4矩阵法计算了该结构的透射谱,结果显示:调节双轴晶体主轴围绕实验坐标系z轴的旋转角度可以改变缺陷模频率的大小,并且该缺陷模的频率不随入射角度的变化而改变.该特性可以用于光波频率可调的单通道窄带滤波器的制作.     

遮蔽效应对抛射沉积模型标度性质的影响

在表面粗糙化生长过程中粒子非垂直入射产生的遮蔽效应是一种长程相互作用, 实验发现非垂直入射时生长表面形貌和生长性质都受到遮蔽效应的影响. 本文通过模拟倾斜入射的抛射沉积模型得到了其标度指数、 表面统计的偏度和峰度以及生长体的多孔性与入射角度的关系, 模拟结果显示标度指数与入射角度的关系是非单调的, 而偏度和峰度的有限尺寸效应也取决于入射角度的大小. 同时本文对以上模拟结果进行了定性的分析.     

б�����Ų��ڷǾ�����ײ���������е�����ͷ�������

提出碰撞吸收型等离子体的等效折射指数,重新计算了折射角,并与利用常规方法得到的折射角进行了比较。分析了等离子体密度和碰撞频率对折射角的影响。考察了斜入射电磁波在吸收型等离子体中的折射特性,并以一维非均匀碰撞吸收型等离子体为例,对斜入射电磁波的反射特性进行了考察。结果表明,等效折射指数的概念涵盖了入射角度的影响,在考察斜入射时更准确、便捷。     

电磁波在径向非均匀球对称等离子体中的衰减

提出了一种计算任意入射角的电磁波在径向非均匀球对称等离子体中的传播和吸收的模型.在此模型中，把非均匀等离子体球分成若干个同心等离子体球壳，并且假定每一个同心壳层内等离子体密度均匀分布.采用几何光学近似方法，考虑相位系数和衰减系数的矢量性，分别研究了几种典型的非均匀密度分布形式的等离子体在不同碰撞频率、中心等离子体密度和电磁波入射角条件下对入射电磁波的传播和衰减特性，获得了一些有意义的结果. 关键词： 电磁波 碰撞频率 等离子体球 能量衰减     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

高质量光学涡旋阵列的实验研究

将光学涡旋与计算全息技术相结合,提出一种高质量光学涡旋阵列的产生方法.从理论上研究了光学涡旋阵列的形成和分布特征,并模拟仿真产生涡旋光束阵列.基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图,利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列,并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行验证.产生的高质量光学涡旋阵列提供了更复杂的结构分布和更多的可控参量,且实验光路易实现.研究结果在光学微操控、光通信等领域具有潜在应用价值.     

基于电阻膜与分形频率选择表面的超薄宽频带超材料吸波体的设计

设计了一种基于一阶Minkowski分形双方环(Minkowski fractal double square loop, MFDSL)电谐振器结构与电阻膜复合的超薄、 宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体. 该吸波体的基本结构单元由MFDSL电谐振器结构、方块电阻膜、电介质基板和金属背板组成. 采用时域有限差分算法对这种复合结构吸波体的电磁波吸收特性进行数值模拟分析. 模拟得到的反射率和吸收率表明: 该吸波体在7.5-42 GHz之间对入射电磁波具有大于90%以上的强吸收特性. 模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性. 进一步的数值模拟结果表明, 该复合结构吸波体对电磁波的吸收主要是基于电磁谐振和电路谐振机制, 通过方块电阻的设计可以实现工作频率范围的调节. 关键词： 电阻膜 分形频率选择表面 宽频带吸收     

基于圆微带天线阵的射频涡旋电磁波的产生

射频涡旋电磁波等相位面呈涡旋状,是一种携有新自由度-轨道角动量的电磁波。在轨道角动量模式理论分析的基础上,提出了在中心频率6 GHz处产生携有轨道角动量的涡旋电磁波的一种圆微带天线阵新结构,设计了以双层圆形微带天线为阵元组成的圆形阵列天线,通过控制馈源的相位差,得到模式量子数为0,1,2, 3, 4的轨道角动量。仿真结果表明:携轨道角动量的电磁波矢量电场图具有涡旋波阵面的特性,合适的阵列半径和馈线排列分布将产生携有良好轨道角动量特性的涡旋电磁波,而不当的阵列半径或馈线排列分布将出现能量的分散或者相互耦合的问题。     

空心圆柱微腔谐振模式研究

基于分离变量法研究了平面波斜入射时,空心无限长介质圆柱微腔的光学特性,通过计算散射场展开系数分析了入射角度、空心部分的尺寸等因素对谐振廓线的影响。研究结果表明,当空心部分的尺寸参数较大时将使微腔的形貌共振(Morphology Dependent Resonances,MDR)峰值产生偏移,当空心部分尺寸参数较小时,圆柱仍然可以产生MDR共振,且位置和均匀圆柱重合。当平面波斜入射时,MDR峰也会产生偏移,并且随着入射角度的减小,MDR峰值减小,直至完全消失。