科研训练光学超材料的逆向设计隐身斗篷 大学毕业论文.doc

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1、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19目录1.绪论31.1引言32.隐身斗篷设计32.1隐身斗篷简介32.2隐身斗篷设计原理42.3隐身斗篷的研究现状63.隐身斗篷的逆向设计研究方法73.1基于坐标变换的参数分布逆向设计73.2结构单元等效参数逆向设计94.模拟实验过程与结果154.1模拟数据及图像154.2模拟结果评估165.结论166.致谢167.参考文献17191.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

2、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

3、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

4、。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。192.2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

5、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19。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R1

6、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

7、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）。19这意味着相速度大于光在真空的速度，没有

8、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com