阻抗可调变换光学理论及其应用研究

发布时间：2017-08-31 16:42

  本文关键词：阻抗可调变换光学理论及其应用研究

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【摘要】：基于麦克斯韦方程协变变换光学通过坐标变换控制电磁场,以全新且独特的手段设计人造材料,操控电磁波,从而可设计各类元部件与器件。嵌入式坐标变换加快了变换光学理论体系完备化进程,以更多的灵活性控制和引导电磁波。传统变换光学理论在设计各类元部件时,遇到边界反射问题。本文重点研究阻抗可调变换光学理论,消除由于阻抗失配带来的反射。第一章介绍了变换光学的研究进展,展示了应用嵌入式坐标变换设计的光学元件,并分析了这种方法由于反射带来的局限性。第二章建立了几何光学近似下的阻抗可调变换光学理论,通过虚拟空间设置阻抗函数而不改变折射率,达到阻抗匹配的目的。推导了连续多层空间阻抗可调变换光学理论表达式,通过设置边界阻抗值为1的阻抗函数,实现边界阻抗匹配。推导了各向异性介质分界面的反射系数和折射系数。第三章将阻抗可调变换光学理论应用于不连续的坐标变换,设计了二维无反射的压缩/扩束器,此元件的优点是不需要结合传统的方法加入抗反射膜；并设计了二维紧凑型的拐弯结构,可以同时控制拐弯角度和波的强度;推广拐弯结构应用设计移位和分路器。设计了高效阻抗匹配的柱面波与平面波转换结构,并可以用来实现高效聚焦透镜和定向天线。最后将阻抗可调变换光学理论应用连续坐标变换模拟。第四章推广了阻抗可调变换光学理论使得折射率也空间可调应用于设计波导耦合器和拐弯器,同时调节虚拟空间的阻抗系数和折射率,可以简化金属波导耦合器中的变换介质参数；两种不同的方案应用于介质波导耦合器设计,都有很高的效率,通过设置大的折射率系数,可以进一步提高耦合器的效率,且简单参数变换介质同样可以应用到介质波导耦合。第五章基于阻抗可调的变换光学理论设计了三维的光学元件,边界上电场方向和磁场方向的拉伸率可以不一致。通过调节阻抗系数,用此结构可设计任意的具有不同内径和外径的同轴波导耦合器。此外,用各向同性材料设计了空间任意拐弯的同轴波导。第六章全文总结和展望。
【关键词】：变换光学 阻抗可调 无反射设计 坐标变换
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O43
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-25
• 1.1 光子晶体及人工超材料简介9-10
• 1.2 变换光学的提出及研究进展10-17
• 1.2.1 变换光学的提出10-11
• 1.2.2 隐身斗篷11-13
• 1.2.3 基于变换光学的其它电磁波元部件与器件13-15
• 1.2.4 变换光学理论在其它领域的应用15-17
• 1.3 嵌入式坐标变换及其应用研究进展17-19
• 1.4 本论文研究目标及主要工作19
• 参考文献19-25
• 第二章 阻抗可调变换光学理论25-45
• 2.1 坐标变换理论25-32
• 2.1.1 任意坐标系下的坐标变换25-28
• 2.1.2 正交坐标系下的坐标变换28-29
• 2.1.3 直角坐标系下的坐标变换29-31
• 2.1.4 三维隐身斗篷设计31-32
• 2.2 阻抗可调变换光学32-39
• 2.2.1 阻抗函数33-34
• 2.2.2 二维轴对称多层空间中的连续阻抗可调变换光学34-39
• 2.2.2.1 二维轴对称双层空间中的连续阻抗可调变换光学34-37
• 2.2.2.2 二维轴对称三层空间中的连续阻抗可调变换光学37-39
• 2.3 二维各向异性变换介质分界面上的反射系数和透射系数39-43
• 2.4 本章小结43
• 参考文献43-45
• 第三章 基于阻抗可调变换光学的二维无反射元件设计45-69
• 3.1 二维无反射压缩/扩束元件45-53
• 3.1.1 结构设计与坐标变换45-47
• 3.1.2 阻抗函数推导47-49
• 3.1.3 数值模拟与讨论49-53
• 3.2 二维紧凑型拐弯元件53-57
• 3.2.1 拐弯结构53-54
• 3.2.2 阻抗函数推导54-55
• 3.2.3 数值模拟与讨论55-56
• 3.2.4 拐弯结构应用于移位与分路56-57
• 3.3 柱面波与平面波转换57-62
• 3.3.1 结构设计57-59
• 3.3.2 阻抗函数设置59
• 3.3.3 数值模拟与讨论59-62
• 3.4 阻抗可调变换光学理论应用于连续坐标变换62-67
• 3.4.1 隐身装置62-65
• 3.4.2 能量聚集器65-67
• 3.5 本章小结67-68
• 参考文献68-69
• 第四章 基于阻抗可调变换光学的二维波导及其部件设计69-85
• 4.1 波导及其部件轴向折射率可调设计思想69-70
• 4.2 波导耦合70-79
• 4.2.1 金属波导71-76
• 4.2.2 介质波导76-79
• 4.2.2.1 设计方法77
• 4.2.2.2 三种方案的数值模拟和对比分析77-79
• 4.3 波导拐弯结构及其应用79-82
• 4.3.1 波导拐弯79-80
• 4.3.2 波导分路80-81
• 4.3.3 波导拐弯耦合81-82
• 4.4 本章小结82-83
• 参考文献83-85
• 第五章 基于阻抗可调变换光学的三维波导元件设计85-99
• 5.1 基于阻抗可调变换光学的同轴波导耦合器设计85-92
• 5.1.1 坐标变换公式85-87
• 5.1.2 阻抗函数求解87-88
• 5.1.3 压缩结构应用于同轴波导耦合88-92
• 5.2 各向同性三维波导任意拐弯部件92-97
• 5.2.1 二维各向同性波导拐弯92-93
• 5.2.2 三维各向同性波导拐弯设计93-94
• 5.2.3 同轴波导任意空间拐弯的数值模拟及讨论94-97
• 5.3 本章小结97
• 参考文献97-99
• 第六章 总结与展望99-101
• 致谢101-103
• 攻读博士学位期间完成的学术论文及获得的科研成果103-105
• 图、表索引105-107

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本文编号：766740