科研训练论文秦茂方.doc

科 研 训 练 论 文 光学超材料的逆向设计隐身斗篷 秦茂方 指导教师姓名 阚威威 目录 1.绪论 3 1.1引言 3 2. 隐身斗篷设计 3 2.1隐身斗篷简介 3 2.2隐身斗篷设计原理 4 2.3隐身斗篷的研究现状 6 3.隐身斗篷的逆向设计研究方法 7 3.1基于坐标变换的参数分布逆向设计 7 3.2结构单元等效参数逆向设计 9 4.模拟实验过程与结果 15 4.1 模拟数据及图像 15 4.2 模拟结果评估 16 5.结论 16 6.致谢 16 7.参考文献 17 1.绪论 1.1引言 隐身斗篷是一种新型隐身技术，自2006年 J.B.Pendry等人提出以后受到了研究人员的广泛关注[1]，特别是其完美隐身效果更是受到军事领域的热衷。隐身斗篷是基于坐标变换法设计而出的，能实现光线的绕射，比传统的隐身技术具有明显的优越性。变换光学理论是基于麦克斯韦方程形式不变性得到的，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。隐身斗篷作为一项新的隐身技术，实现了光的绕射，能真正意义上实现隐。 隐身斗篷的基本理论依据是变化光学理论，中国科学院电子学研究所李芳对这方面解释的较简明易懂，其基本思路是基于Maxwell方程组在不同空间下的形式不变性，将虚拟空间中的一个实心区域压缩变换到物理空间( 现实空间) 中的一个空心域，该空心区域具有特定的各向异性非均匀介电常数和磁导率，即要设计的隐身斗篷。 本论文将在坐标变换，等效参数，散射三个方面用comsol软件对其进行模拟，从而初步得出其参数分布的模型。 2隐身斗篷设计 2.1隐身斗篷简介 在一个给定的空间中隐藏任意的对象，而且不让观察者知道某此物体被隐藏。通过超材料使光线围绕物体传播，并返回他们原来传播的轨迹，实现对物体的隐藏。 这个假设意味着，尽管没有光线进入隐藏体，也可以通过其他方式，让光线绕过物体沿原来的轨迹传播。光线穿透空间体，其实是超材料引导光线围绕在空间体周围传播，现在光线又出现在同一个方向，就像是光线穿透空间体传播一样。这样的超材料结构称为隐身斗篷。 超材料是实现隐身斗篷的材料，它是一种介电常数和磁导率同时为负值的电磁介质。其次，超材料结构单元的制备逐渐变小，其负折射率的响应频率也逐渐从微波段不断向光频发展，超材料的出现使得光学隐身斗篷也得到了很大的进展。 2.2隐身斗篷设计原理 为简单起见，我们选择隐藏对象的球体半径为R1，隐形区域为R1 r R2圆环域。一个简单的改进，达到了预期的结果， （1） 应用转换规则给出下列值：rR1，，，可以自由取值没有限制，不会导致电磁散射。 , （2） ， , （3） 在斗篷的外表面，，是完美匹配层的条件（PML）。 因此，我们可以做斗篷连接件，构建无反射界面，并且研究无反射界面[2]。 为了说明起见，假设，其中是波长，这样我们可以用射线近似绘制坡印廷矢量。如果辐射源在无穷远处照射系统，那么我们可以进行光线跟踪?图1所示 在此图中的光线来自一组通过采取麦克斯韦方程具有各向异性，非均匀介质的几何极限得到汉密尔顿方程的数值积分结果。 这种集成提供了独立的证明，公式(1)和(2)规定了不包括来自内部区域的光线 图1光线追踪程序用于计算斗篷的光线轨迹，假设。光线本质上跟随坡印廷矢量，（A）图表示二维（2D）截面的射线系统,光线在包含隐形材料的R1RR2圆环域内围绕物体传播，穿过隐形装置的光线未偏移从原来的路线，（B）图表示同一过程的3D视图 另外,如果，我们找一个点电荷，它周围近似为静电(或静磁)场，其静电位移场的曲线如图2所示 图2位于隐形球附近的一个点电荷。我们假设，限制近场，并绘制电位移场。从图中可以看出，点电荷发出的电场线在穿透隐身球体后传播方向没有改变。我们画出更靠近球体的电场线，来强调屏蔽效应。 接下来讨论隐身材料的特点。在射线追踪的时候有一个奇异的地方，我们可以看到按射线直接向球体的中心处传播，出射后传播方向没有改变（图1）。射线不知道是否会向上或向下，向左或向右偏离。邻近的射线是弯曲的，并且在接近临界的时候射线越来越弯曲，这意味着和非常快速的变化。，快速变化是由于(自洽地)紧密弯曲的射线的各向异性各向异性的介质是必要的,因为我们有各向异性压缩空间 各向异性乃至连续变异参数对超材料来说不是难题,实现和极大或极小的值即可。在实践中,隐身是不完美的,因为我们无法满足公式（2）。然而，可观的是，减少物体的横截面是可以实现的。 更进一步的问题是隐身效果适用于宽频还是特定于单一频