科研訓(xùn)練論文-光學(xué)超材料的逆向設(shè)計(jì)隱身斗篷(已修改)
2025-06-21 07:21 本頁面
【正文】 1 科 研 訓(xùn) 練 論 文 光學(xué)超材料的逆向設(shè)計(jì)隱身斗篷 秦茂方 指導(dǎo)教師姓名 闞威威 2 目錄 ...................................................................................................... 3 引言 ................................................................................................... 3 2. 隱身斗篷設(shè)計(jì) .................................................................................... 3 隱身斗篷 簡介 ................................................................................... 3 隱身斗篷設(shè)計(jì)原理 ............................................................................ 4 隱身斗篷的研究現(xiàn)狀 ........................................................................ 6 ........................................................... 7 基于坐標(biāo)變換 的參數(shù)分布逆向設(shè)計(jì) ................................................ 7 結(jié)構(gòu)單元等效參數(shù)逆向設(shè)計(jì) ............................................................ 9 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果 ......................................................................... 15 模擬數(shù)據(jù) 及圖像 ............................................................................. 14 模擬 結(jié)果評估 ................................................................................ 16 .................................................................................................... 16 .................................................................................................... 16 ............................................................................................ 17 3 引言 隱身斗篷是一種新型隱身技術(shù)，自 2021 年 等人提出以后受到了研究人員的廣泛關(guān)注 [1]，特別是其完美隱身效果更是受到軍事領(lǐng)域的熱衷。隱身斗篷是基于坐標(biāo)變換法設(shè)計(jì)而出的，能實(shí)現(xiàn)光線的繞 射，比傳統(tǒng)的隱身技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性。變換光學(xué)理論是基于麥克斯韋方程形式不變性得到的，當(dāng)前隱身斗篷的研究關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)和簡化隱身斗篷的結(jié)構(gòu)。隱身斗篷作為一項(xiàng)新的隱身技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光的繞射，能真正意義上實(shí)現(xiàn)隱。 隱身斗篷的基本理論依據(jù)是變化光學(xué)理論，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所李芳對這方面解釋的較簡明易懂，其基本思路是基于 Maxwell 方程組在不同空間下的形式不變性，將虛擬空間中的一個(gè)實(shí)心區(qū)域壓縮變換到物理空間 ( 現(xiàn)實(shí)空間 ) 中的一個(gè)空心域，該空心區(qū)域具有特定的各向異性非均勻介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，即要設(shè)計(jì)的隱身斗篷。 本 論文將 在坐標(biāo)變換 ， 等效參數(shù)，散射三個(gè)方面 用 sol 軟件對其進(jìn)行模擬，從而初步得出其 參數(shù) 分布的模型。 2 隱身斗篷設(shè)計(jì) 隱身斗篷簡介 在一個(gè)給定的空間中隱藏任意的對象，而且不讓觀察者知道某此物體被隱藏。通過超材料使光線圍繞物體傳播，并返回他們原來傳播的軌跡，實(shí)現(xiàn)對物體的隱藏。 這個(gè) 假設(shè)意味著，盡管沒有光線進(jìn)入隱藏體，也可以通過其他方式，讓光線繞過物體沿原來的軌跡傳播。光線穿透空間體，其實(shí)是 超材料 引導(dǎo)光線圍繞在空間體周圍傳播，現(xiàn)在光線又出現(xiàn)在同一個(gè)方向，就像是光線穿透空間體傳播一樣。這樣的超材料結(jié)構(gòu)稱為 隱身斗篷。 超材料是實(shí)現(xiàn)隱身斗篷的材料，它是一種 介電常數(shù) ? 和磁導(dǎo)率 ? 同時(shí)為負(fù)值的電磁 介質(zhì) 。其次，超材料結(jié)構(gòu)單元的制備逐漸變小，其負(fù)折射率的響應(yīng)頻率也逐漸從微波段不斷向光頻發(fā)展，超材料的出現(xiàn)使得光學(xué)隱身斗篷也得到了很大的進(jìn)展。 4 隱身斗篷設(shè)計(jì)原理 為簡單起見，我們選擇隱藏對象的球體半徑為 R1，隱形區(qū)域?yàn)?R1 r R2圓環(huán)域。一個(gè)簡單的 改進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果， 2121 /)(39。 RRRrRr ??? （ 1） ???39。 ???39。 應(yīng)用轉(zhuǎn)換規(guī)則給出下列值： rR1， 39。? ， 39。u ，可以自由取值沒有限制，不會(huì)導(dǎo)致電磁散射。 21 RrR ?? , 2112239。39。 39。 )39。(39。39。 r RrRR Ru rr ????? （ 2） 12239。39。 39。39。 RR Ru ?? ???? 12239。39。 39。39。 RR Ru ??? ??? ， 2Rr? , 139。39。39。39。39。39。 39。39。39。39。39。39。 ?????? ???? ??? uuu rr （ 3） 在斗篷的外表面，39。39。39。 39。139。39。 r??? ?? ?? ， 39。39。39。 39。139。39。 ruuu ?? ?? 是完美匹配層的條件 （ PML）。 因此，我們可以做斗篷連接件，構(gòu)建無反射界面，并且研究無反射界面 [2]。 為了說明起見，假設(shè) ???2R ，其中 ? 是波長，這樣我們可以用射線近似繪制坡印廷矢量。如果輻射源在無窮遠(yuǎn)處照射系統(tǒng)，那么我們可以進(jìn)行光線跟蹤 圖 1 所示 在此圖中的光線來自一組通過采取麥克斯韋方程具有各向異性，非均勻介質(zhì)的幾何極限得到漢密爾頓方程的數(shù)值積分結(jié)果。 這種集成提供了獨(dú)立的證明，公式 (1)和 (2)規(guī)定了不包括來自內(nèi)部區(qū)域的光線 圖 1光線追蹤程序用于計(jì)算斗篷的光線軌跡，假設(shè) ??2R 。光線本質(zhì)上跟隨坡印廷矢量，（ A）圖表示二維（ 2D）
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