超材料對電磁波和聲波傳播特征的調(diào)控研究.pdf

1、人工超材料是通過將亞波長人造單元結(jié)構(gòu)按照一定規(guī)律排列形成的等效介質(zhì)，它涵蓋了電磁波領域與聲波領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法實現(xiàn)的功能或作用效果，比如負折射現(xiàn)象，高折射率現(xiàn)象、局域場信號增強等。利用這些獨特的性質(zhì)，研究人員設計實現(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，并在此基礎上提出

2、一些具有獨特性質(zhì)的調(diào)控器件。
　　首先，對漸變雙曲超材料慢波波導中的電磁波停滯能力進行了詳盡地分析和研究。對波導中的模式進行了詳細分析，通過波導結(jié)構(gòu)能帶計算，可以發(fā)現(xiàn)在該波導中存在能夠簡并的前向和后向模式。兩種模式在關鍵寬度處耦合，導致電磁波傳播的群速度顯著下降。盡管該結(jié)構(gòu)無法將電磁波信號永遠停止在波導中，但是，通過調(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波導的停滯效應進行靈活的調(diào)整。利用合適的材料參數(shù)，同

3、一外形尺寸慢波波導的停滯效應提高了～35％。
　　其次，對超材料在聲學領域的獨特調(diào)控作用也進行了探索。通過類比經(jīng)典的變換光學理論，推導出了聲學空間變換的設計思路，并首次提出利用自然材料構(gòu)成的金屬——流體結(jié)構(gòu)對該方案進行實現(xiàn)。這一方案有許多新穎的特點:利用這一方案設計聲波調(diào)控器件時，不需要考慮過多復雜的數(shù)學計算和繁瑣步驟，只需要對入射面和出射面的幾何形狀進行設計;整個設計過程中，只需要利用到一種同質(zhì)聲學零空間材料，該材料同時還具備很

4、好的寬帶工作效果;基于這一方案，可以設計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)的變換聲學方法無法做到的。
　　再次，設計并通過3D打印的方式得到了一種具備準周期孔陣列結(jié)構(gòu)的聲學透鏡，該透鏡可在空氣中對20 kHz入射聲波在同一成像平面上進行多焦點亞波長成像。與傳統(tǒng)超分辨聲學透鏡不同，該透鏡利用超振動效應成像，因此具備很好的遠場工作能力。通過搭建合適的