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变换光学及其在隐身斗蓬和表面等离激元传播中的应用

作　者: 余振中
导　师: 冯一军
学　校: 南京大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 变换光学 人工电磁材料 隐身斗篷 电磁集中器 全景透镜 表面等离激元 波束控制器 分束器 弯折装置 全向吸收器
分类号: O438
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


2006年,J. B. Pendry教授提出了变换光学理论,受到了相关领域学者的广泛关注。变换光学可用于自由控制电磁波的传播,该理论最重要的应用是用以设计电磁隐身斗蓬和隐身地毯,此外应用变换光学还可设计其他新颖的电磁波调控电磁器件,如电磁波集中器、旋转器、波束分束器等等。当前隐身斗篷的研究关键是如何实现和简化隐身斗篷的结构。变换光学理论是基于麦克斯韦方程形式不变性得到的,可以运用于各类电磁波的传播调控,当然也包括对表面等离激元(SPPs)的调控。近年来,运用变换光学理论来调控表面等离激元的研究正在逐步开展。鉴于上述发展趋势,本文着重开展了变换光学及其在隐身斗蓬和表面等离激元传播中的应用研究。首先根据变换光学和散射相消理论,提出了多层均匀各向同性材料隐身斗蓬的优化设计方法,并研究和设计了几种基于变换光学的新型电磁波调控器件；其次我们将变换光学进一步拓展到表面等离激元的传播调控中,设计并分析了表面等离激元波束控制器、分束器、弯折装置以及全向吸收器,最后提出了界面不连续结构上的表面等离激元耦合器和纵向压缩器的概念。本论文的主要内容和研究成果包括如下几方面：(1)提出了一种由多层均匀各向同性材料构成的隐身蓬的优化设计方法。通过严格电磁散射计算和遗传算法优化设计,我们得到了层数较少的隐身斗篷结构,分别给出一个六层等厚材料的隐身斗蓬和一个由两种材料交替构成的五层隐身斗蓬的设计实例,均具有很好的隐身效果。在考虑等离子材料损耗影响的情况下,通过采用引进增益材料进行补偿的优化方法,对低损耗和高损耗两种情况分别进行了讨论,也获得了较好的隐身斗篷效果。(2)提出了一种由多层均匀各向异性材料实现的电磁集中器的优化设计方法。理论上分析推导了柱坐标系下各向异性材料中的电磁场表达形式和散射计算公式,并将其运用于多层均匀各向异性材料构成的电磁集中器的优化设计中,获得了预期的器件性能。(3)运用变换光学方法,提出了360度无畸变全景透镜的设计方案,该器件能够将360度视角的光线压缩到一个180度视角的区域内。分析计算了该器件的材料参数,并对所设计全景透镜的电磁性能,在多种情况下进行了仿真验证,获得预期的效果。(4)将变换光学理论和设计方法运用到表面等离激元调控器件的设计方法中,提出了表面等离激元波束控制器、分束器以及弯折装置的设计方案,通过电磁分析分别验证了这些器件的性能。针对表面等离激元调控器件的实现问题,运用改变金属表面介质覆层的厚度来调节SPPs的有效折射率,设计了可实现的表面等离激元弯折装置以及全向吸收器,并对这些表面等离激元调控器件进行了三维电磁波全波仿真验证。(5)基于补偿媒质和折叠几何的变换光学,提出了金属/介质界面缝隙上表面等离激元的耦合传输方法。分别分析了利用补偿媒质和变换光学设计方法使SPPs在横向偏移、纵向偏移或轴向倾斜的金属/介质界面缝隙上耦合传输。最后,我们还提出了SPPs的纵向压缩器件,可以用来抑制金属表面附近存在障碍物时SPPs的散射,并能有效提高SPPs的传输效率。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-12
第一章 绪论  12-38
  1.1 人工电磁材料概况  12-16
  1.2 变换光学的研究进展  16-18
  1.3 隐身斗篷和隐身地毯的研究进展  18-22
  1.4 表而等离激元变换光学的研究进展  22-26
  1.5 本论文的研究背景和主要工作  26-29
  参考文献  29-38
第二章 变换光学及隐身斗蓬的基本理论  38-56
  内容提要  38
  2.1 变换光学  38-42
  2.2 隐身斗篷  42-43
  2.3 简化材料参数及改进的隐身斗蓬  43-47
    2.3.1 简化材料参数的隐身斗蓬  43-46
    2.3.2 改进的隐身斗蓬  46-47
  2.4 等离子体隐身斗蓬  47-53
  2.5 本章小节  53-54
  参考文献  54-56
第三章 多层各向同性材料隐身斗蓬的研究  56-74
  内容提要  56
  3.1 引言  56-57
  3.2 多层均匀各向同性材料隐身斗蓬的优化设计  57-68
    3.2.1 六层等厚各向同性材料的隐身斗蓬  62-65
    3.2.2 五层两种各向同性材料的隐身斗蓬  65-68
  3.3 采用增益材料补偿损耗的隐身斗蓬的优化设计  68-71
  3.4 本章小节  71-72
  参考文献  72-74
第四章 电磁集中器与全景透镜的设计  74-88
  内容提要  74
  4.1 引言  74-75
  4.2 圆柱形电磁集中器  75-77
  4.3 多层均匀各向异性材料中的电磁场  77-79
  4.4 多层均匀各向异性材料电磁集中器的优化设计  79-81
  4.5 全景透镜的设计  81-85
  4.6 本章小节  85-86
  参考文献  86-88
第五章 表面等离极化激元的基本理论  88-106
  内容提要  88
  5.1 引言  88-89
  5.2 Drude模型  89-90
  5.3 表面等离极化激元的概念  90-91
  5.4 金属/介质单一界面上的表面等离极化激元  91-97
  5.5 多层平面SPPs耦合系统  97-100
  5.6 表面等离激元波导和器件  100-101
  5.7 本章小节  101-103
  参考文献  103-106
第六章 基于变换光学的表面等离激元器件  106-124
  内容提要  106
  6.1 引言  106-108
  6.2 表面等离激元波束控制器  108-110
  6.3 表面等离激元分束器  110-111
  6.4 表面等离激元波束弯折器件  111-115
  6.5 表面等离激元器件的实现  115-120
    6.5.1 表面等离激元弯折器件的实现  116-117
    6.5.2 表面等离激元全向吸收器的实现  117-120
  6.6 本章小结  120-121
  参考文献  121-124
第七章 表面等离激元在不连续结构上的传输  124-138
  内容提要  124
  7.1 引言  124-125
  7.2 折叠几何变换光学  125-127
  7.3 金属/介质界面缝隙上的等离激元耦合传输  127-133
    7.3.1 等离激元在金属/介质界面缝隙上的传输  127-128
    7.3.2 等离激元在金属/介质界面横向缝隙上的耦合传输  128-130
    7.3.3 等离激元在金属/介质界面缝隙上存在障碍物时的耦合传输  130-131
    7.3.4 等离激元在金属/介质界面复杂缝隙上的耦合传输  131-133
  7.4 表面等离激元纵向压缩器  133-135
  7.5 本章小节  135-136
  参考文献  136-138
第八章 结束语  138-140
致谢  140-141
攻读博士学位期间研究成果目录  141-142

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 信息光学
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