超材料對(duì)電磁波和聲波傳播特征的調(diào)控研究.pdf

1、人工超材料是通過(guò)將亞波長(zhǎng)人造單元結(jié)構(gòu)按照一定規(guī)律排列形成的等效介質(zhì)，它涵蓋了電磁波領(lǐng)域與聲波領(lǐng)域非常寬泛的作用范圍。該類材料具有新奇的材料特性，利用這一性質(zhì)可以獲得很多自然材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能或作用效果，比如負(fù)折射現(xiàn)象，高折射率現(xiàn)象、局域場(chǎng)信號(hào)增強(qiáng)等。利用這些獨(dú)特的性質(zhì)，研究人員設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了眾多新型的超材料器件，如隱身衣、定向傳輸天線、能量吸收器等。在本論文中，我們將深入研究人工超材料在電磁波和聲波的傳播特征方面的調(diào)控作用，并在此基礎(chǔ)上提出

2、一些具有獨(dú)特性質(zhì)的調(diào)控器件。
　　首先，對(duì)漸變雙曲超材料慢波波導(dǎo)中的電磁波停滯能力進(jìn)行了詳盡地分析和研究。對(duì)波導(dǎo)中的模式進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能帶計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)在該波導(dǎo)中存在能夠簡(jiǎn)并的前向和后向模式。兩種模式在關(guān)鍵寬度處耦合，導(dǎo)致電磁波傳播的群速度顯著下降。盡管該結(jié)構(gòu)無(wú)法將電磁波信號(hào)永遠(yuǎn)停止在波導(dǎo)中，但是，通過(guò)調(diào)節(jié)雙曲超材料中金屬材料的填充比，或改變金屬材料的色散特性可以對(duì)波導(dǎo)的停滯效應(yīng)進(jìn)行靈活的調(diào)整。利用合適的材料參數(shù)，同

3、一外形尺寸慢波波導(dǎo)的停滯效應(yīng)提高了～35％。
　　其次，對(duì)超材料在聲學(xué)領(lǐng)域的獨(dú)特調(diào)控作用也進(jìn)行了探索。通過(guò)類比經(jīng)典的變換光學(xué)理論，推導(dǎo)出了聲學(xué)空間變換的設(shè)計(jì)思路，并首次提出利用自然材料構(gòu)成的金屬——流體結(jié)構(gòu)對(duì)該方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。這一方案有許多新穎的特點(diǎn):利用這一方案設(shè)計(jì)聲波調(diào)控器件時(shí)，不需要考慮過(guò)多復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和繁瑣步驟，只需要對(duì)入射面和出射面的幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì);整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，只需要利用到一種同質(zhì)聲學(xué)零空間材料，該材料同時(shí)還具備很

4、好的寬帶工作效果;基于這一方案，可以設(shè)計(jì)多種具有新奇聲波調(diào)控功能的器件，比如柱面波——平面波波前轉(zhuǎn)換器、波束寬度擴(kuò)展/壓縮器、以及空間匯聚波束生成器等，這是傳統(tǒng)的變換聲學(xué)方法無(wú)法做到的。
　　再次，設(shè)計(jì)并通過(guò)3D打印的方式得到了一種具備準(zhǔn)周期孔陣列結(jié)構(gòu)的聲學(xué)透鏡，該透鏡可在空氣中對(duì)20 kHz入射聲波在同一成像平面上進(jìn)行多焦點(diǎn)亞波長(zhǎng)成像。與傳統(tǒng)超分辨聲學(xué)透鏡不同，該透鏡利用超振動(dòng)效應(yīng)成像，因此具備很好的遠(yuǎn)場(chǎng)工作能力。通過(guò)搭建合適的