变换光学，渐变折射率器件及其应用

发布时间：2017-03-20 08:07

  本文关键词：变换光学，渐变折射率器件及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自从2006年变换光学被首次用于设计电磁隐身衣以来,变换光学与新型的光学器件引起了科研人员的广泛重视。这几年来,变换光学理论也在不断完善。与此同时,借助于变换光学设计的新型光学器件也越来越多。这些新型的器件包括：隐身衣,光学黑洞,光学幻象器件,光束变换器件,光能聚焦器件,光偏振控制器件等等。变换光学的理论也被扩展到热学,声学等领域。变换光学的出现掀起了人们对新型器件的设计研究的热潮。本文将从变换光学的基本理论出发,首先给出散度和旋度在任意坐标系统下的计算关系,进而得到麦克斯韦方程组在任意坐标系统中的表达方式。基于麦克斯韦方程组在坐标变换下的谐变性,我们引入物质解释的思想后,可以导出变换光学的基本公式。此后,我们将基于本文导出的变换光学基本公式,设计一些新型的光学器件,以及一些新型的可以调控静磁场的器件。我们将借助于变换光学理论和数值模拟方法对这些器件的性能进行深入研究和分析。我们首先将介绍如何借助于变换光学来设计一个可以用于扩展相位阵列天线扫描角度的天线罩。实际当中相位阵列天线的扫描范围受到种种因素限制,而在现有的相位阵列天线基础上加入我们设计的天线罩之后,可以扩展器扫描范围。我们设计的天线罩可以使得入射角度和出射角度之间满足线性关系。随后,我们将引入零空间来简化天线罩参数,使其仅借助于两种各向同性的均匀材料交错排列就可以实现。最后我们借助于有限元的方法对该天线罩的性能进行模拟。我们也基于变换光学对实现隐形衣进行了深入的研究。我们首次提出了基于散射覆盖的方案来实现隐身。和以往的方法不同,我们这里提出的方案具有非常多的优势。我们设计的隐身具有以下特点：被隐藏物体可以看见外界物体,而外界的观察者则看不见被隐藏物体;当被隐藏物体的形状或者材料改变后,我们设计的隐形衣仍然能够很好地工作；我们的隐形衣是无源的,无需预先探测外界的探测波信息。这种新型的隐形方案将很可能用于未来的隐形技术中。我们还将变换光学理论扩展到静磁场：我们不仅能够对静磁场分布进行变换,而且可以对磁铁进行变换。我们设计了许多可以调控静磁场的新型器件,比如实现高均匀度的静磁场增强器,高梯度静磁场增强器,以及各类磁铁幻象器件等等。我们还研究了基于近零折射率渐变的新型透镜。这种透镜可以对入射光束进行压缩和准直。研究发现该透镜出射的光束在近场和远场都具有很好的方向性。我们还设计了金属柱状单元结构来实现这种新型透镜。最后,我们对该领域的研究进行了总结和展望。对未来可进一步深入研究的问题进行了总结和讨论。
【关键词】：变换光学 隐形衣 天线罩 静磁场 新型Mikaelian透镜
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O436;TH74
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-13
• 1 绪论13-26
• 1.1 变换光学的发展背景与研究现状13-14
• 1.2 变换光学设计的新型器件简介14-22
• 1.3 超材料简介22-24
• 1.4 本论文的主要内容及创新点24-26
• 2 变换光学的基本理论26-41
• 2.1 麦克斯韦方程组在坐标变换下的协变性26-29
• 2.2 变换光学的基本原理与公式的导出29-38
• 2.3 变换静磁学38-39
• 2.4 总结与讨论39-41
• 3 变换光学用于扩展相位阵列天线扫描角度的研究41-59
• 3.1 相位阵列天线扫描角度扩展的研究背景41-42
• 3.2 变换光学理论用于设计扩展相位阵列天线扫描角度的天线罩42-50
• 3.3 借助于null-space介质对天线罩参数简化50-57
• 3.4 本章小结57-59
• 4 借助于变换光学实现第三类隐形器件的设计59-68
• 4.1 电磁隐身衣研究背景介绍59-61
• 4.1.1 光学隔离式的电磁隐形结构59-60
• 4.1.2 散射相消式的电磁隐形结构60-61
• 4.2 散射覆盖的原理实现电磁隐形器件61-67
• 4.3 总结与讨论67-68
• 5 变换光学在控制静磁场上的应用68-82
• 5.1 借助于变换光学实现高均匀度静磁场的研究68-76
• 5.1.1 研究背景介绍68-69
• 5.1.2 理论设计69-74
• 5.1.3 实验验证74-76
• 5.2 借助于变换光学实现高梯度的静磁场增强器76-81
• 5.2.1 研究背景介绍76-77
• 5.2.2 设计方案77-81
• 5.3 本章总结与讨论81-82
• 6. 基于人工特异介质的渐变折射率透镜82-87
• 6.1 新型渐变折射率透镜的设计方法82-84
• 6.2 实现新型渐变折射率透镜的实验方案84-86
• 6.3 本章小结86-87
• 7 总结与展望87-89
• 参考文献89-103
• 作者简介103-104
• 在攻读博士学位期间发表的学术论文104-105

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 Francesco Monticone;Andrea Alù;;Metamaterials and plasmonics: From nanoparticles to nanoantenna arrays, metasurfaces, and metamaterials[J];Chinese Physics B;2014年04期

  本文关键词：变换光学，渐变折射率器件及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：257439