基于远场时间反演的亚波长天线阵列研究

基于远场时间反演, 从信号处理角度对亚波长阵列的超分辨率聚焦特性进行了理论分析. 提出了一种新型的微结构刻蚀亚波长阵列, 通过时间反演聚焦实验表明, 该阵列具有远场超分辨聚焦特性, 各单元间信道相互独立. 将这种亚波长阵列应用在时间反演镜天线上, 通过实验验证了可以获得更好的超分辨率聚焦效果. 所提出的亚波长天线阵列对多天线超宽带无线通信具有潜在的应用价值. 关键词： 时间反演 亚波长 天线阵列 超分辨率     

一种用于时间反演通信的亚波长天线阵列设计

基于时间反演电磁波的远场超分辨聚焦特性, 设计了一种亚波长天线阵列, 其天线单元刻蚀有微结构、单元间距为1/20工作波长且信道相互独立. 在保证相似的辐射特性的条件下, 该亚波长天线阵列对比于其他微结构刻蚀所组成的亚波长天线阵列, 具有较好的远场超分辨率聚焦特性. 为基于时间反演的高速率、高质量多天线通信提供了一种有效的终端天线阵列.     

聚焦径向调制Bessel-Gaussian光束实现亚波长尺寸纵向偏振光束

亚波长尺寸纵向偏振光束在粒子加速,单个分子偶极矩测量,二次谐波成像和纵向偏振共焦显微镜等方面有非常广泛的应用.本文提出径向调制的Bessel-Gaussian光束模型,经高数值孔径显微物镜聚焦可以获得高纯度的纵向偏振光束.利用矢量衍射理论数值模拟了焦点附近光强分布、磁场分布和能流密度空间分布.结果表明光斑半高全宽度可以达到0.4λ.该方法无需环形孔径或环形相位滤波器,光能利用率高,分辨率好,达到改进各种应用的效果. 关键词： Bessel-Gaussian光束 纵向偏振光束 聚焦 亚波长     

基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究

基于硅纳米块阵列和亚波长金属光栅,硅纳米块长轴与金属光栅夹角为45°,本文设计了一种高效、宽带偏振转换结构.模拟计算表明该结构实现了线偏振光90°旋转,在3.4—4.5μm波段偏振转换率大于60%,在3—5μm光谱范围内的转换对比率大于10~4.由于该结构光学性能优异,制备难度低,可以应用于光传输控制.     

Near field imaging in microwave regime using double layer split-ring resonator based metamaterial

A planar metamaterial structure consisting of two layers of split-ring resonator (SRR) arrays is demonstrated to form the image of a point source with subwavelength resolution. The source frequency is swept through the resonance gap of the metamaterial layers and the lateral field intensity distribution is recorded on the transmission side of the metamaterial. When the source is tuned to the resonance frequency of SRRs, the metamaterial acts as a high permeability medium and a distinct image with subwavelength resolution in the lateral direction is obtained. Increasing the distance between the individual SRR layers reduces the interlayer coupling, and the intensity and spatial resolution of the image decrease rapidly.     

基于时间反转理论的聚焦Lamb波结构损伤成像

从理论和实验上研究了时间反转法在频散和多模式的Lamb波结构健康检测方面的应用.当Lamb波在包含有损伤的板类结构中传播时,损伤的存在表现为一个被动波源.采用分布式传感器网络,基于传递函数的观点,通过推导由损伤这个被动波源产生的时间反转波场幅值的表达式,证实了当观察点位于损伤位置时,时间反转波场的幅值最大.为验证时间反转方法的聚焦效应,提出了一种适合于分布的激励/接收传感器网络的成像方法,该方法可以对损伤定位并近似确定损伤尺寸.结合有限元的实验结果显示了Lamb波检测信号的能量可在损伤处聚焦,表明时间反转     

基于虚拟源时间反转的经颅超声精确聚焦*

针对经颅超声难以精确聚焦的问题,本文研究了基于虚拟源的时间反转方法,建立颅骨二维数字模型,在聚焦目标处设置虚拟声源,利用时域有限差分法模拟超声时间反转过程,并考察基于虚拟源时间反转方法的聚焦效果。数值仿真结果表明,基于虚拟源的时间反转方法可以实现经颅超声的精确聚焦,聚焦强度和精度好于传统的相控聚焦;换能器中心频率和数量对聚焦效果的影响规律与相控聚焦时类似;该方法可以同时向多个焦点聚焦,并自适应调节各焦点处声压幅度。     

三维各向异性超常媒质交错结构的亚波长谐振特性研究

以填充各向异性超常媒质矩形波导中的电磁场解为基础,通过建立与求解填充各向异性超常媒质交错结构的矩形谐振腔的谐振方程,深入研究了三维各向异性超常媒质交错结构的亚波长谐振特性.结果发现,三维各向异性超常媒质交错结构的亚波长谐振条件具有更为多样性的物理解,在固定参数下,其物理解的个数往往超过一个,还针对谐振结构的横向尺寸对亚波长谐振条件的影响进行了讨论.结果表明,随着横向尺寸的减小亚波长谐振条件的物理解数量将逐渐增多直至趋于无穷.这意味着即使超常媒质的本构参数无法控制,仍然可以通过调节谐振结构的横向尺寸来得到亚波长谐振腔. 关键词： 各向异性 超常媒质 交错结构 亚波长谐振     

Bridging the terahertz near-field and far-field observations of liquid crystal based metamaterial absorbers

Metamaterial-based absorbers play a significant role in applications ranging from energy harvesting and thermal emitters to sensors and imaging devices.The middle dielectric layer of conventional metamaterial absorbers has always been solid.Researchers could not detect the near field distribution in this layer or utilize it effectively.Here,we use anisotropic liquid crystal as the dielectric layer to realize electrically fast tunable terahertz metamaterial absorbers.We demonstrate strong,position-dependent terahertz near-field enhancement with sub-wavelength resolution inside the metamaterial absorber.We measure the terahertz far-field absorption as the driving voltage increases.By combining experimental results with liquid crystal simulations,we verify the near-field distribution in the middle layer indirectly and bridge the nearfield and far-field observations.Our work opens new opportunities for creating high-performance,fast,tunable,terahertz metamaterial devices that can be applied in biological imaging and sensing.     

A planar left-handed metamaterial based on electric resonators

A planar left-handed metamaterial(LHM) composed of electric resonator pairs is presented in this paper.Theoretical analysis,an equivalent circuit model and simulated results of a wedge sample show that this material exhibits a negative refraction pass-band around 9.6GHz under normal-incidence and is insensitive to a change in incidence angle.Furthermore,as the angle between the arm of the electric resonators and the strip connecting the arms increases,the frequency range of the pass-band shifts downwards.Consequently,this LHM guarantees a relatively stable torlerence of errors when it is practically fabricated.Moreover,it is a candidate for designing multi-band LHM through combining the resonator pairs with different angles.     

亚波长金属聚焦透镜结构参数的优化与分析

提出同时优化亚波长金属透镜结构凹槽宽度和深度,以改善亚波长金属透镜的聚焦特性.基于有限时域差分法,详细研究了凹槽宽度和深度变化对其焦斑的峰值半宽、焦斑强度、归一化聚焦效率以及焦距的影响.通过探讨金属透镜的聚焦规律及其物理机理,给出了金属透镜的优化设计方法,为利用金属透镜实现光波的纳米聚焦及灵活操控提供了理论基础.     

基于一维金属光子晶体平凹镜的柱矢量光束亚波长聚焦

柱矢量光束具有柱对称性的偏振分布,其独特的光场分布和聚焦特性被广泛应用于光学微操纵及光学成像等领域,并迅速向亚波长尺度拓展.通常,亚波长尺度聚焦采用等离激元透镜实现,但存在光场调控的偏振态局限性.而借助光子晶体的负折射效应,不仅能够实现亚波长聚焦或成像,而且应对正交偏振态同时有效.采用对电磁波具有更强调控能力的一维金属光子晶体结构,计算得到的能带结构和等频曲线表明其负折射效应在特定波段对正交偏振态同时有效.在此基础上设计出一维金属光子晶体柱对称平凹镜结构,通过有限元算法模拟显示了可见光波段的径向和旋向偏振光的同时亚波长聚焦行为.进一步的结果表明,改变柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地调节焦场空间分布及偏振分布特性.所提出的平凹镜结构能够实现对任意偏振组分的柱矢量光束的亚波长尺度聚焦,且该结构的设计对于各波段情况均有参考意义.该研究结果对小尺度粒子的光学微操纵、超分辨率成像等相关领域具有潜在的应用价值.     

有平界面存在时时间反转法的自聚焦性能

时间反转法是一种具有独特优点的自适应聚焦方法,对超声成像中图象畸变的消除有重要价值。本文就声场中存在介质分平面时,对时间反转法实现自聚焦的声场给出了解析式;并运用所建立起来的时间反转成像实验系统进行了有平界面存在时的自聚焦实验,实验所得自聚焦增益与理论计算结果相符。     

Reconfigurable subwavelength waveguide based on magnetic metamaterial

The design and characterization is described of a reconfigurable subwavelength waveguide based on magnetic metamaterial. The waveguide is capable of reconfiguring its propagating mode from right-handed to left-handed, which can be applied in the design of novel microwave and RF devices such as leaky wave antennas with broadened scanning range. The waveguide consists of a rectangular metallic waveguide loaded by two pieces of different magnetic metamaterials, which are structured by the same cells—modified split ring resonators (MSRRs)—with different arrangements. Positions of the two pieces of metamaterials in the waveguide can be reconfigured separately by the control mechanism. The simulated transmission data show that the waveguide has a passband below the cutoff frequency of the hollow waveguide either in the left-handed case or in the right-handed case. The extracted constitutive parameters have demonstrated that the effective permittivity and permeability of the waveguide are simultaneously negative in the left-handed case and positive in the right-handed case. The magnetic field and surface current distributions in the waveguide confirm that the waveguide operates as can be expected. The influence of the control mechanism on the performance of the waveguide is studied. It is shown that the influence is so minor that it can be neglected.     

时间反演镜对时间反演电磁波聚焦特性影响因素的研究

时间反演电磁波聚焦特性的主要影响因素来自于时间反演镜(time reversal mirror,TRM).利用电磁仿真工具,对各种影响因素进行分析,给出了改善时间反演电磁波聚焦特性的方法.最后,通过实验对改善方法的有效性进行了验证. 关键词： 时间反演镜 时间反演电磁波 聚焦特性 影响因素     

基于双负介质结构单元的零折射率超材料

以连通长杆加树枝结构为基本单元模型,制备出折射率为零的超材料,并研究其电磁特性.首先考察了连通长杆加单级树枝的情况, 调节结构单元的几何参数可使其在频率f =9.5 GHz处实现有效介电常数和有效磁导率同时从负值趋于零点, 从而得到折射率n=0.同时也研究了单级树枝长度及夹角对零折射率超材料电磁参量的影响. 最后考察了树枝结构为二级和三级的情况,发现通过调节各单元的结构参数,均能得到在同一频率点处介电常数和 磁导率同时为零的零折射率超材料.     

时间反演电磁波在金属丝阵列媒质中的超分辨率聚焦

本文利用一种已有的金属丝阵列结构, 验证了时间反演技术的时空聚焦特性, 并证明了在该阵列结构中, 时间反演电磁波具有超分辨率聚焦特性. 利用金属丝阵列能为凋落波提供传播渠道这一特性, 通过改变信号对时间反演镜的激励方式, 得到了多种亚波长异地成像的仿真结果. 本文的分析和仿真结果证实了利用时间反演技术, 可以采用传统的材料和设备, 在远场实现超分辨率聚焦成像, 并能在多个位置实现对源信号的提取和分析. 关键词： 时间反演 金属丝阵列 超分辨率聚焦 异地成像     

有限口径非周期亚波长衍射聚焦偏转器的严格矢量优化

有限口径非周期亚波长衍射光学器件的亚波长结构特性使得传统标量衍射理论失效,必须借助严格电磁理论进行器件的设计。提出一种循环平面波谱算法(IterativePlaneWaveSpectrumAlgorithm,IPWSA)作为器件优化算法,利用二维时域有限差分方法作为严格电磁计算模式,根据Farn方法对器件面型进行亚波长处理,设计出有限口径非周期具有亚波长结构的衍射聚焦偏转器件,偏转角为24.8°,该器件可与激光器集成构成微型集成光学系统,也可以用在红外量子阱系统中。详细分析了算法原理,设计实例验证了算法的优化效果。     

新兴的纳米结构亚波长光学器件及其发展

介绍了新颖的纳米结构亚波长光学器件的特点,从器件的基本功能特性和工作机理两个方面详细讨论了其应用状况,并阐述了纳米制造技术对亚波长光学器件发展的重要推动作用及这一领域今后的研究热点。     

An incident-direction-selective transmission filter based on anisotropic metamaterial

We construct an incident-direction-selective transmission filter based on anisotropic metamaterial, and explore the possibility of complete tunneling when elements of permittivity and permeability tensors of the anisotropic metamaterial are totally or partially negative. We first deduce the expressions of field distribution, reflection and transmission amplitudes in our filter and then study the influence of anisotropic metamaterial on the tunneling incident angle of light, including seven subcases of different combinations of positive and negative permittivity and permeability components. At last we conclude the principle of appearance of complete tunneling.