论文部分内容阅读
随着异向介质和变换光学理论的提出与发展,人们对操纵电磁波与声波有了更深的认识。然而,当前的新型电磁/声调控方法正面临一些挑战。例如,场旋转器是变换光学的重要应用之一,但是基于非均匀坐标变换的设计方法会为场旋转器引入非均匀的电磁参数,不便于实际加工制备。一些电磁参数得到简化的场旋转器被提出,但是由于阻抗不匹配使得这类电磁参数简化的器件性能有所下降。此外,全息成像技术因其具有完整记录并重建场波信息的能力而受到广泛关注,但是自然界和传统材料能够提供的声学物理性质是有限的,大多数声学全息成像的实现依赖于包含大量有源元件的相控阵,这类方法需要复杂的移相电路,功率消耗大,并且需要仔细校准和调谐。
针对以上问题,本文开展了新型电磁/声波调控机理在旋转器和全息成像中的应用研究,取得了如下创新性研究成果:
1.针对非均匀坐标变换方法设计的新型电磁/声学器件容易引起非均匀电磁参数从而难以制备的问题,本文基于线性坐标变换的方法,设计提出了一种由均匀各向异性材料组成的多边形场旋转器。对于时谐电磁场,由于采用了均匀线性坐标变换的方法,该旋转器的电磁参数是均匀的,只需要用到两种均匀参数的材料就可以设计实现,在实验中更加容易制备。本文的设计方法同时也适用于静磁场。对于静态场,本文的工作进一步表明,仅需要一种各向异性的材料即可实现静态场旋转器。在其中心区域,静态场密度还可以进一步地按照需求设计为比背景环境更加密集或更加稀疏,也可以设计为与背景环境的静态场密度保持一样。
2.针对传统声学全息器件构造复杂、体积庞大、成像效果差、调节自由度低等问题,本文提出并设计了一种基于反射型超薄声学超表面的全息成像器件,这种器件可以实现声波反射相位任意可调。本文选用类亥姆霍兹谐振器作为单元结构,器件厚度仅为所工作声波波长的1/20。本文所设计的全息成像器件在理想和有损耗情况下,均可较好地重构出单点聚焦及多点成像效果。这项工作表明,该器件可以工作在一定的频段和一定的近场成像距离内。
本文提出的多边形场旋转器设计方法可以扩展到其他新型电磁/声波器件,例如超散射器件,表面波导波器件等,也能够用于设计电磁/声波集中器及稀疏器件;本文提出的超表面声学全息成像器件设计简单,易于制备,在海底资源勘探、海洋地形声学成像、震源可视化和医疗诊断等领域有很好的潜在应用。本文的相关工作已发表于SCI期刊ScientificReports和AppliedSciences。
针对以上问题,本文开展了新型电磁/声波调控机理在旋转器和全息成像中的应用研究,取得了如下创新性研究成果:
1.针对非均匀坐标变换方法设计的新型电磁/声学器件容易引起非均匀电磁参数从而难以制备的问题,本文基于线性坐标变换的方法,设计提出了一种由均匀各向异性材料组成的多边形场旋转器。对于时谐电磁场,由于采用了均匀线性坐标变换的方法,该旋转器的电磁参数是均匀的,只需要用到两种均匀参数的材料就可以设计实现,在实验中更加容易制备。本文的设计方法同时也适用于静磁场。对于静态场,本文的工作进一步表明,仅需要一种各向异性的材料即可实现静态场旋转器。在其中心区域,静态场密度还可以进一步地按照需求设计为比背景环境更加密集或更加稀疏,也可以设计为与背景环境的静态场密度保持一样。
2.针对传统声学全息器件构造复杂、体积庞大、成像效果差、调节自由度低等问题,本文提出并设计了一种基于反射型超薄声学超表面的全息成像器件,这种器件可以实现声波反射相位任意可调。本文选用类亥姆霍兹谐振器作为单元结构,器件厚度仅为所工作声波波长的1/20。本文所设计的全息成像器件在理想和有损耗情况下,均可较好地重构出单点聚焦及多点成像效果。这项工作表明,该器件可以工作在一定的频段和一定的近场成像距离内。
本文提出的多边形场旋转器设计方法可以扩展到其他新型电磁/声波器件,例如超散射器件,表面波导波器件等,也能够用于设计电磁/声波集中器及稀疏器件;本文提出的超表面声学全息成像器件设计简单,易于制备,在海底资源勘探、海洋地形声学成像、震源可视化和医疗诊断等领域有很好的潜在应用。本文的相关工作已发表于SCI期刊ScientificReports和AppliedSciences。