基于變換光學(xué)的新型電磁功能器件的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、變換光學(xué)是近年來新興的一種設(shè)計(jì)電磁物質(zhì)的技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組在坐標(biāo)變換下形式不變性原理。變換光學(xué)與傳統(tǒng)光學(xué)的區(qū)別在于，傳統(tǒng)光學(xué)是用費(fèi)馬原理來描述折射率的變化如何影響光的傳播路經(jīng)，而變換光學(xué)則是通過設(shè)計(jì)材料的屬性來實(shí)現(xiàn)特定的光傳播路徑。在變換光學(xué)中空間形狀起著主導(dǎo)作用，通過坐標(biāo)變換以增加物質(zhì)參數(shù)的復(fù)雜性為代價(jià)，大大簡(jiǎn)化電磁器件的設(shè)計(jì)過程，也就是說在設(shè)計(jì)過程中把空間的改變等效為空間內(nèi)介質(zhì)參數(shù)的改變，為人們提供了一種全新的調(diào)控電磁

2、波的手段。人們可以根據(jù)對(duì)電磁波的調(diào)控需要來構(gòu)建空間映射，然后尋找能夠?qū)崿F(xiàn)這種映射的坐標(biāo)變換，再計(jì)算出變換介質(zhì)的參數(shù)。這種方法最初應(yīng)用在電磁隱身方面，通過一組特定的空間映射，得到了變換介質(zhì)的參數(shù)，并借助于超材料設(shè)計(jì)出了電磁隱身斗篷，電磁波在隱身斗篷中會(huì)繞開隱藏物體，在斗篷外再回到原來的傳播路徑上，這樣從斗篷外探測(cè)不到斗篷內(nèi)的物體，斗篷內(nèi)的物體就實(shí)現(xiàn)了“隱身”。經(jīng)過坐標(biāo)變換以后的光學(xué)結(jié)構(gòu)所需物質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)一般是不均勻、各向異性的，但大多情況

3、下這些本構(gòu)參數(shù)都可以通過超材料技術(shù)來滿足或者近似滿足，這樣在現(xiàn)實(shí)中利用變換光學(xué)技術(shù)就變的可行，同時(shí)也推進(jìn)了變換光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。
　　超材料在變換光學(xué)的發(fā)展中起著重要的作用，由此引起的革命正在全世界各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的諸多研究方向中進(jìn)行。由于在紅外和可見光范圍內(nèi)能夠支持表面等離子波的傳播，貴金屬中的金和銀一直被廣泛地應(yīng)用在光學(xué)超材料的組成中。但是這些貴金屬材料存在很多缺點(diǎn):介質(zhì)參數(shù)不可改變，在一定頻率范圍尤其是可見光范圍內(nèi)存在嚴(yán)重的損耗

4、等等，這就限制了由金或銀組成的超材料在變換光學(xué)中的應(yīng)用。然而，近年來出現(xiàn)的目前世界上已知的最薄的，由六角元胞碳原子組成的蜂巢狀二維晶體-石墨烯，具有強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性極好等特性，另外，石墨烯還具備超大的比表面積，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。因此，石墨烯被科學(xué)界認(rèn)為是一種可以大力促進(jìn)科學(xué)研究進(jìn)步的材料，并且預(yù)言其在晶體管、太陽能電池、傳感器、超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射和催化劑載體等方面都有著良好的應(yīng)用前景。在石墨烯的諸多特性中，石墨烯的材料參數(shù)可以通過外

5、部條件的改變而改變的特性是石墨烯最為突出的特性，這樣石墨烯就可以克服傳統(tǒng)貴金屬組成的超材料的缺點(diǎn)，成為一種新型的變換光學(xué)材料。
　　正是在這樣的研究背景下，本文開展了一些基于坐標(biāo)變換的電磁功能器件的研究與設(shè)計(jì)工作，主要包括以下幾個(gè)方面:
　　1.在詳細(xì)分析和敘述了幾種隱身斗篷的基礎(chǔ)上，提出了通過壓縮空間來改變物體外觀的思路。首先將原空間的一個(gè)圓形區(qū)域劃分為內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域，然后對(duì)內(nèi)區(qū)域進(jìn)行壓縮或者擴(kuò)展變換，外區(qū)域采用相應(yīng)的變換，

6、以保證外區(qū)域與自由空間匹配，減小在此交界面上的反射。當(dāng)物體被放入到這個(gè)圓形區(qū)域的內(nèi)區(qū)域時(shí)，空間的改變就轉(zhuǎn)化為介質(zhì)參數(shù)的改變，這樣放入內(nèi)區(qū)域的物體對(duì)外界電磁波的散射就會(huì)增大或者減小，以至于觀察者從外部無法確定物體的真實(shí)大小。對(duì)內(nèi)區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行壓縮或者擴(kuò)展，放入內(nèi)區(qū)域的物體對(duì)外界電磁波的散射會(huì)進(jìn)一步改變，當(dāng)散射變得很小很小以至于可以忽略的時(shí)候，那么這個(gè)圓形區(qū)域就變成了隱身斗篷。變換光學(xué)的具體實(shí)現(xiàn)方法有很多，其中借助于某些軟件直接求解偏微分方程

7、的數(shù)值解得到介質(zhì)參數(shù)的方法，比直接進(jìn)行坐標(biāo)變換的計(jì)算量會(huì)減小很多，利用起來更方便。因此，本文利用COMSOL軟件中的PDE模塊設(shè)計(jì)了一種平面天線，這種天線具有平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)又具有傳統(tǒng)拋物天線的特性，這樣不僅達(dá)到了天線小型化的目的，還為以后設(shè)計(jì)超常規(guī)天線提供了一種方法。
　　2.提出基于石墨烯的紅外隱身斗篷的設(shè)計(jì)，并對(duì)其功能進(jìn)行了研究與分析。與以往采用傳統(tǒng)材料制成的隱身斗篷不同，本文提出了石墨烯隱身斗篷的設(shè)計(jì)。石墨烯是近幾年出現(xiàn)的一

8、種納米材料，由于其獨(dú)特的單原子層結(jié)構(gòu)而具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，使得石墨烯成為近幾年物理界和材料界的研究熱點(diǎn)，其中石墨烯最突出的特點(diǎn)是其介電常數(shù)的可調(diào)性。在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)一個(gè)具有漸變折射率的半球面結(jié)構(gòu)的全向隱身斗篷。在現(xiàn)實(shí)中，真正做到折射率漸變是很困難的，所以在制作過程中一般采用離散方法，用很多均勻折射率來近似代替漸變折射率。石墨烯的電導(dǎo)率可以通過很多方法來改變，本文用外加電場(chǎng)，設(shè)置石墨烯層和硅襯底之間電解質(zhì)的不同厚度的方法，來改變石墨

9、烯的電導(dǎo)率。用很多具有相同電導(dǎo)率的石墨烯窄帶組成的近似半球結(jié)構(gòu)來代替具有漸變折射率的半球表面，形成一個(gè)全向的隱身斗篷，并且石墨烯對(duì)表面等離子波具有很好的局限性。當(dāng)表面等離子波經(jīng)過該石墨烯組成的近似半球結(jié)構(gòu)時(shí)，其傳播特性和在平面上傳播時(shí)完全相同，這樣半球面內(nèi)的物體就會(huì)被“隱身”。
　　3.提出基于石墨烯的可調(diào)焦距紅外透鏡的設(shè)計(jì)，并對(duì)其功能進(jìn)行研究與分析。當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，石墨烯層和硅襯底之間的距離可以影響石墨烯表面的載流子濃度，從而在