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利用变换介质板操控电磁波相位的研究

作　者: 柯友刚
导　师: 舒维星
学　校: 湖南大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 变换光学变换介质相位轨道角动量
分类号: O441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

超常材料是一种人工微结构材料，它的电磁特性可以按照人们的意愿调节，能实现天然材料所不具有的奇异特性，并带来了前所未有的应用，如电磁隐形和分辨率突破衍射极限的超透镜。超常材料是最近十年的研究热点，特别是基于坐标变换理论的指导，众多新颖的光子器件被提出和实现。这种基于坐标变换理论的超常材料也称变换介质。变换介质能够灵活地操控和引导电磁波的传输。最近，基于光学变换理论的波形变换器和光束偏折器被提出。但这类器件的功能依赖于出射边界的变形和偏折。本文中，我们根据变换光学理论，提出一种反变换的方法，设计变换介质平板操控电磁波相位。该方法可以实现任意的波形变换，而且不依赖于器件的外形，有利于实现即插即用光器件。具体开展了如下工作：1.研究利用变换介质实现平面波偏折。从常规的直接变换方法出发，建立了反变换的方法，能实现相同的效果。建立平面波偏折的坐标变换，得到材料介电常数和磁导率张量。利用有限元分析软件验证设计的变换介质。在平板器件内，功率流方向与波前不垂直，但离开变换介质平板后，功率流和波矢具有相同的方向，并在顺时针或是逆时针方向偏离原来的入射方向。出射波相对入射波的偏折角度是可控的。在平板介质操控出射波方向的基础上，设计了平板光束分束器和出射方向可控的移位器。利用有限元分析软件对所设计的器件进行全波仿真验证。本章结果可能在高方向性天线和光束分束设计方面具有一定的价值。2.研究利用变换介质圆柱调控光束相位。基于坐标变换理论，设计变换介质圆柱，将平面波前转化成螺旋波前。我们以高斯光束为例，将其转化成拉盖尔高斯光束。利用有限元分析方法对所设计的变换介质圆柱进行全波仿真验证。此变换介质圆柱在理论上是无反射的，以至转换效率非常高。将不同个数的变换介质圆柱叠加起来，可以很方便的产生任意值的轨道角动量。该方案提供了一种产生具有轨道角动量光束的新方法，对操控光的霍尔效应可能具有潜在价值。3.研究利用平板变换介质实现平面波波形转换。基于坐标变换理论，提出可以将平面波变成凹面波或凸面面波的波形变换器。本章进行的坐标变换是将抛物面变成平面，并给出了变换介质板的本构参数的解析表达式。应用这样的变换介质平板，可以实现高斯光束的准直和聚集。对所提方案进行了数值仿真验证。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
插图索引  10-12
第1章绪论  12-21
  1.1 引言  12
  1.2 研究背景及意义  12-20
    1.2.1 基于坐标变换理论的电磁器件设计  12-17
    1.2.2 基于坐标变换理论的电磁器件的实验验证  17-18
    1.2.3 本文的研究意义  18-20
  1.3 本文框架  20-21
第2章变换介质  21-28
  2.1 引言  21-22
  2.2 直角坐标系下的坐标变换  22-24
  2.3 正交坐标系下的坐标变换  24-27
  2.4 小结  27-28
第3章利用变换介质操控功率流和波矢方向的研究  28-44
  3.1 引言  28-29
  3.2 利用器件的形状操控出射功率流方向的研究  29-34
  3.3 利用平板变换介质操控出射功率流方向的研究  34-39
    3.3.1 变换介质板操控出射功率流方向的机制  34
    3.3.2 变换介质板操控出射功率流方向顺时针方向偏折  34-36
    3.3.3 变换介质板操控出射功率流方向逆时针方向偏折  36-37
    3.3.4 平板光束分束器  37-39
  3.4 设计出射方向可控的移位器  39-43
  3.5 小结  43-44
第4章利用变换介质操控光子轨道角动量的研究  44-52
  4.1 引言  44-45
  4.2 变换介质的设计  45-48
  4.3 仿真结果分析  48-51
  4.4 小结  51-52
第5章基于变换介质平板的波形变换器  52-57
  5.1 引言  52
  5.2 基于坐标变换理论推导材料的本构参数  52-54
  5.3 数值仿真和分析  54-56
  5.4 小结  56-57
总结与展望  57-59
参考文献  59-64
致谢  64-65
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文和参加的项目  65

利用变换介质板操控电磁波相位的研究

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