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.     

介质掺杂近零媒质中光场增强效应及其应用

电磁场的汇聚与增强是电磁学中一个重要的研究内容,具备场汇聚与增强特性的电磁(光学)器件在高方向性电磁天线、激光点火、光学调控等方面有着广泛的应用前景.目前,电磁场增强的途径主要有两种,一是采用构造人工电磁材料结构以实现辐射方向的控制和能量集中,其次是采用具有高介电常数或高磁导率的材料来实现电磁场增强,但是上述两种方式应用在光学波段具有一些局限性.本文基于光子晶体掺杂理论,通过介质掺杂近零媒质的方式成功实现了光场增强功能.理论分析和数值仿真计算表明所设计的结构能够显著实现场强增强,并适用于微波至光波波段,应用频谱范围很宽.作为应用探索,本文还设计了一款工作在270 nm波长的紫外光波段点火装置.上述工作为新型电磁(光学)器件的研制提供了新的思路.     

双平行圆柱形MDM纳米棒等离子体波导的传输特性分析

设计了一种由双平行圆柱形纳米棒构成的金属-介质-金属(MDM)型等离子体波导,采用时域有限差分方法(FDTD)分析了波导结构的传输特性。当光波垂直主轴入射时,电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中,从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。在工作波长为1 550 nm的情况下,随着内层金属芯半径的增大,有效折射率减小,传播距离增大;而中间介质层厚度增大时,有效折射率增大,传播距离减小。当外层金属壳厚为20 nm时,电场可以很好地被限制在纳米棒的介质层内。上述结果表明:通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制,降低波导本身的损耗, 使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导能够实现亚波长的光限制,可以应用于光子器件集成和传感器领域。     

一种新型宽带定向性贴片天线设计

利用超材料概念,通过在接地面上蚀刻条形缝隙图案,并引入"八木"天线中的反射器和引向器的设计思想,设计并且制作了一种超宽带强定向型贴片天线.仿真结果表明,天线相对带宽为65.3%(6.9—13.6 GHz),带内回波损耗均在-10 d B以下,整个频段内天线的增益均在4.4 d Bi以上.由于接地板上蚀刻的超材料结构的左手特性影响了天线介质基底的等效媒质参数,天线电磁场的传播方向被改变,天线辐射场主要集中在水平方向而不是传统贴片天线的垂直方向.在传统的贴片天线上引入反射器和引向器增强了天线的方向性.实验结果与仿真结果有较好的一致性.     

基于科赫分形的新型超材料双频吸收器

本文提出了一种基于科赫(Koch)分形结构的新型超材料双频吸收器,其由二阶科赫分形阵列、介质层和金属背板三部分组成.通过利用分形结构的空间填充性,其单元尺寸在相同吸收频率下相对于具有正方形谐振结构的传统吸收器有近17.5%的尺寸缩减.与传统实现多频工作的组合法、层叠法不同,该型吸收器的双频特性来源于科赫分形曲线在电磁波激励下呈现出的两种不同的谐振模式.而且由于结构上具有旋转对称性,该型吸收器对入射波的极化方向不敏感,在横电波、横磁波大角度入射时仍能保持较高的吸收率.文中采用等效介质理论对该型吸收器进行了分析,测量结果与仿真结果取得了较好的一致性.     

基于全介质超表面的电磁诱导透明研究

设计了一种基于TiO2介质的全介质电磁诱导透明超表面模型,该结构由两根十字垂直交叉的介质棒和四个介质方块组成.在入射电磁场的作用下,介质棒中直接被入射电磁场激励的米氏电谐振通过相互耦合作用激发了介质方块中的磁共振,并产生谐振模之间的相消干涉,从而产生了类电磁诱导透明现象.利用电磁仿真软件和双谐振子耦合模理论,模拟计算和定量分析了类电磁诱导透明效应,结果表明:在电磁波正入射下,该结构在0.552THz处产生一透射率接近96%的透明窗口.由于其结构单元具有4度旋转对称性和多个暗模谐振元素,使得诱导透明效应出现较宽频带且呈现出对入射电场极化方向不敏感的特性.     

圆柱形热集中器理论、仿真和实现

作为一种高效的热能收集与俘获技术,热集中器最近引起了研究者的关注.本文从热传导方程和坐标变换关系出发,导出了圆柱形热集中器温度分布的解析表达式,并通过与COMSOL数值仿真结果比较证实了表达式的正确性.分析了热集中器性能与材料各向异性和器件几何结构二者之间的联系,结果表明,包层热超材料的各向异性越大,集中器的热集中性能越好;包层与内核的半径比越大,集中器的热聚焦能力越强.利用包层与背景媒质之间的温度关系,进一步研究了用常规材料实现热集中器的方法,通过将两种常见的天然材料沿角向按周期交替排列并调整各自面积的大小,可观察到不同程度热集中现象.     

超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于开口谐振环-介质-光栅3层结构的超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器件,研究了各层透射系数谱以及结构参量对偏振转换的影响,通过计算结构电场和电流分布分析了器件的工作原理.模拟结果表明:设计的器件实现在0.5~2.7THz频谱内,将入射的y偏振太赫兹光转换成x偏振光,转换效率高达99%.由结构电场分布以及表面电流分布推出,入射的y偏振太赫兹光耦合到开口环上,形成振荡的电偶极子,并辐射出太赫兹波x偏振分量.底部光栅层的作用是透过x偏振分量,并将剩余的y偏振光反射回开口环层,并在开口环层和光栅层间形成法布里-珀罗反射进一步提高偏振转换效率.可通过优化介质层厚度、光栅宽度和阵列周期关键参量来优化器件的转换性能.     

基于变换声学的角反射器的设计*

基于超材料的新型声学器件是近年来的研究热点,变换声学为这些新型声学器件的实现带来了可能。该文提出了一种基于变换声学的声反射器模型的设计方法。通过简单的线性映射,该声反射器具有均匀而各向异性的参数。利用Biot流体等效介质理论,通过周期分层结构可以对该反射器进行实现。仿真结果显示,在一定角度范围内,该反射器可以将声波按照入射方向进行反射,同时也验证了该结构的宽频有效性。     

多层光变防伪膜的非均匀垂直偏振光反射特性

基于非均匀光波在导电介质中传播时其相移传播方向和振幅衰减方向的不一致性,利用光波动方程的解由电磁场边界条件导出非均匀垂直偏振光在多层超薄金属膜与透明介质膜组合膜系中光波的传输递推公式.为验证方法的可靠性,给出了不同厚度金属膜防伪光变膜系的能量反射率算例,并与现有算法进行对比,结果表明:两种算法得到的能量反射曲线的分布特征具有很好的相似性,但本文算法表现出金属膜具有强的吸收特性和窄带反射效应.     

新型椭圆形互补隐身斗篷设计

基于变换光学理论和互补媒质理论,提出了新型椭圆形互补隐身斗篷的设计方法,并得到了本构参数张量表达式,利用基于有限元算法的电磁仿真软件对该模型进行了全波仿真验证,结果证实了所得到的表达式的正确性,这种隐身斗篷不仅能够实现对位于其内部的物体隐身,而且电磁波能透进隐身斗篷内部进而可以与外界进行通信。     

二维椭圆形散射转移斗篷的设计研究

基于变换光学理论设计了椭圆形散射转移斗篷,并推导了相应的本构参数张量表达式,根据得到的本构参数,利用基于有限元算法的软件分别对椭圆形介质柱、导体柱进行了全波仿真验证.仿真结果证实了所得本构参数的正确性,验证了散射转移斗篷可以模拟任意物体,包括介质、导体的幻象,这些结果为设计隐身斗篷提供了一种新的理论途径.     

Design of a new kind of polarization splitter based on transformation optics

A scheme for a new two-dimensional polarization splitter is proposed based on the transformation optics. When a beam of arbitrary polarization illuminates upon the proposed polarization splitter, the TE (or TM) component is deflected whereas the TM (or TE) component propagates with no deflection. Moreover, the emerging propagation direction of the deflected component can be adjusted by rotating the polarization splitter. The simulation results demonstrated the feasibility and the flexibility of the polarization splitter. Design details and full-wave simulation results are provided.     

三维椭球隐身条件的严格推导及其隐身特性验证

基于坐标变换理论,提出并推导了任意轴比下三维椭球的隐身条件,得到了相应隐身罩材料本构参数张量的通解表达式.根据导出的本构参数张量,利用电磁仿真软件分别对不同轴比的三个典型算例进行仿真验证.仿真结果证实了所导出的本构参数张量的正确性.这些分析结果为隐身物理机理的进一步理解,以及三维隐身罩的设计奠定了更充分的理论基础.     

正N边形柱的隐身条件的严格推导及其隐身特性验证

基于坐标变换理论,提出并推导了正N边形柱的隐身条件,并得到了相应隐身罩材料本构参数张量的通解表达式. 根据导出的本构参数张量,利用电磁仿真软件分别对N取不同值时的三个典型算例进行仿真验证. 仿真结果证实了所得到的本构参数张量的正确性. 考虑到损耗对于隐身效果的影响分析,这些分析结果为隐身物理机理的进一步理解,以及降低对称度隐身罩的设计奠定了理论基础. 关键词： 坐标变换 非均匀各向异性介质 本构参数张量 隐身     

Optical design of retro-reflectors by coordinate transformation

Transformation optics based on the form-invariant coordinate transformation of Maxwell’s equations offers an unconventional approach for designing devices with unprecedented electromagnetic (EM) behaviors. In this paper, we expand the coordinate transformation method to design omni-directional (OD) retro-reflectors by extending the conventional Luneberg lens reflectors to work in a much wider angular width. The constitutive medium tensors of the transformation devices are derived. Based on full wave simulations combined with Huygen’s principle, the flat and efficient backscattering responses of the resultant devices have been evaluated quantitatively. We confirm that the proposed structures are highly visible to incident EM waves from all directions, and they can be used as good OD radar cross section (RCS) enhancers in radar applications, such as the reference target for RCS measurements, range finding and position identification.     

应用变换光学理论调控电磁场光束束宽

 根据变换光学理论,提出了利用超常材料调控光束束宽及将有限束宽光束变成线光束的理论方案,得到了所需超常材料的介电常数和磁导率的解析结果。应用这些结果,可以实现对光束束宽的调控或者将有限束宽光束压缩成线光束。利用有限元分析方法进行全波仿真,仿真结果与理论相符合,可应用于压缩或扩展电磁波束的能量密度。线光束中心处的场能量密度极大,可应用于增强非线性光学效应等方面。     

Design of two-dimensional elliptically cylindrical invisible cloaks with multiple regions

Two-dimensional(2D) elliptically cylindrical invisible cloaks with multiple regions are designed based on the transformation optics and the complementary media theory. Multiple invisible cloak regions can be obtained by properly using the compressed or folded transformation in each space layer. The constitutive parameter tensor expressions for each region have been obtained. The results of full wave simulations by using finite element software confirm the validity of the constitutive parameter tensor expressions. In addition, the parameters are relatively easier to realize.     

Electromagnetic wormholes and virtual magnetic monopoles from metamaterials

We describe new configurations of electromagnetic (EM) material parameters, the electric permittivity epsilon and magnetic permeability micro, which allow one to construct devices that function as invisible tunnels. These allow EM wave propagation between the regions at the two ends of a tunnel, but the tunnels themselves and the regions they enclose are not detectable to lateral EM observations. Such devices act as wormholes with respect to Maxwell's equations and effectively change the topology of space vis-à-vis EM wave propagation. We suggest several applications, including devices behaving as virtual magnetic monopoles, invisible cables, and scopes for MRI-assisted surgery.