科研训练论文秦茂方.doc

科 研 训 练 论 文 秦茂方 指导教师姓名 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 本论文将用软件对其进行模拟，从而初步得出其分布的模型。 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 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 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率。在我们给出的例子中,隐身效果只在一个频率中实现。这可以很容易地从射线图像看出（图1）。 这意味着相速度大于光在真空的速度，没有违反物理定律。然而，如果我们要消除色散，那么群速度和相速度将是相同的，并且群速度不超过光速。 2.3隐身斗篷的研究现状 2006年，J.B.Pendry基于变换光学提出了隐身斗篷的理论思想，采用的是各向异性不均匀的材料[1-7]。同年，S.A.Cummer采用comsol软件对隐身斗篷作了全波仿真验证[8]。为了简化隐身斗篷的实现，他们在文中提出了简化参数的隐身斗篷，虽然不能实现完美隐身，但是仍然能够明显减少物体的散射[9-10]。D.Schurig通过简化的材料参数在微波段实验验证了隐身斗蓬的理论思想[11]，他们制作10层SRR同心圆柱结构，通过设计每层SRRD的几何结构来达到所要求的电磁参数，Schurig制作的微波段隐身斗篷所要求的材料是磁性的，很难推广到光波段，因材料在光波段的磁响应是非常困难的。 2007年，W.Cai在理论上提出了光波段非磁性隐身斗篷的设计方法[12]，为了进一步提高隐身效果，他们还采用了高阶变换来改善简化参数的散射，在隐身斗篷的实际研究中，南京大学黄莺小组通过等效媒质理论提出了采用多层双向同性非磁性材料组成的圆柱形隐身斗篷，分析表明电磁散射明显减少，并且隐身斗篷具有使能流在其中弯曲绕射的特点。 2009年，美国杜克大学的B.Popa等人和浙江大学S.Xi等人分别独立的提出了基于优化算法的多层双向异性材料构成的隐身斗篷，均取得了很好的