光学隐身斗篷设计方法及光在其中的传播特性研究

发布时间：2020-04-04 06:21

【摘要】：光学隐身斗篷是一种基于变换光学理论的新型人工超材料器件。人们通过改变材料的电磁参数,使光线在材料中绕开物体传播,从而实现对物体的隐身,这种材料也被称为变换介质。随着变换光学理论的完善以及超材料技术的不断发展,光学隐身斗篷在微波探测、阵列天线以及军事方面都有着广阔的应用前景。本文主要为理论推导与计算。基于变换光学理论,本文对光学隐身斗篷的设计方法以及光在其中的传播行为进行了研究。文章首先介绍了光学隐身斗篷的两种不同设计方法:基于折射率分布的设计方法以及基于坐标变换的设计方法,并讨论了它们的区别与联系。对于隐身斗篷中出现的奇异点,我们给出了一种消除奇异点的方法。此外,文章还提出了一种回射式隐身斗篷的设计方法,该方法基于复平面上的指数映射,能够实现对物体的隐身以及对光线的回射,相比于传统的透射式隐身斗篷,回射式设计的电磁张量形式更为简单,且该方法能够使观察者在光线入射处就接收到被隐身物后的信息,在有障碍物的复杂环境下具有优势。本文在第五章分别讨论了光在欧式平直空间与非欧弯曲空间的传播行为。在非欧空间中,我们重点推导了光波的色散关系式以及传播路径方程,并分析了其与空间黎曼张量和光波偏振特性之间的关系,给出了光线轨迹图。
【图文】：

这种传播路径的变化往往给人眼以一种假象，从而达到了隐身的效果。这种现有之，从水杯里筷子的弯折，到在某一特定角度发现鱼缸里金鱼的消失，都可是不同意义下的光学隐身。早在２０世纪中期，人们就开始通过设计球形介质的分布，来实现光线的弯折和绕射，其中以Ｌｕｎｅｂｕｒｇ透镜和Ｅａｔｏｎ透镜应用最为两者分别具有聚焦和回射光线的功能，实现了古典意义上对光线的操控。逡逑自变换光学理论提出以来，加上超材料领域的蓬勃发展，光学隐身这一课题再起了人们的极大兴趣。近年来，，在对光学隐身斗篷的理论设计和新型人工超材方面均不断有成果问世。在超材料制备方面，用于制造光学隐身设备的人工超取得了重大突破：２００９年，Ｌ．Ｈ．Ｇａｂｒｉｅｌ！ｉ和Ｊ．邋Ｃａｒｄｅｎａｓ等人利用纳米级尺寸的制造的隐身斗篷，实现了在１５５０纳米的近红外波段对物体的隐身［１１］，该隐身设备逡逑约为２２５ｐｍ２，能够对１．６／／ｍ２大小的物体实现光学隐身。在可见光波段，２０１５逡逑，Ｎｉ和Ｗｏｎｇ的团队首次利用一类以金制成的纳米材料研制出了一种表皮式隐身，可以实现对７３０纳米的可见光波段的光学隐身。而且该隐身衣具有超薄的物理，其厚度约为３０到５０纳米，仅为波长的十分之一，这种纳米级的光学斗篷制造被认为可以用来实现对宏观物体的隐身。逡逑

逦光学隐身斗篷设计方法及光在其中的传播特性研宄逡逑或圆柱形区域进行分析，如图１．１所示，而对任意边界的不规则区域的隐身处理则较为逡逑复杂。随着变换光学理论的发展，人们提出了多种处理不规则区域隐身斗篷的理论方逡逑法。美国的Ｆ．Ｌ．Ｔｅｉｘｅｉｒａ教授于２００７年推导了任意形状边界下的完美电导体（ｐｅｒｆｅｃｔ逡逑ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ，邋ＰＥＣ）的闭式电磁波本构方程［１３］。２００８年，国内东南大学的研究逡逑组引入非一致有理Ｂ样条曲线（Ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍ邋ｒａｔｉｏｎａｌ邋Ｂ—ｓｐｌｉｎｅ，ＮＵＲＢＳ）这一方法来逡逑描述任意形状的几何模型［１４］，该方法使用一组Ｂｅｚｉｅｒ曲线来逼近任意物体的边界形逡逑状，在二维隐身仿真上取得了良好的效果。Ｍａ等人也提出了类似的多边形逼近方法来逡逑设计任意形状的隐身斗篷［１５］。同年８月，中国科学院的研宄组提出了另一种不规则区逡逑域的理论方法［１？，将在直角坐标系下处理的隐身斗篷设计改为在极坐标下处理，这样逡逑一来
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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本文编号：2613874