电磁超表面在隐身技术中的应用研究进展

电磁超表面能够利用散射调控和电磁波吸收2种主要机理进行隐身是隐身技术中一种极具潜力的新型技术途径。对电磁超表面在隐身技术中的应用与研究进展进行综述,首先介绍了超表面散射调控机理进行隐身设计的基本原理与实现方法,介绍了相位梯度超表面、编码超表面和超表面隐身套的发展历程和研究成果;其次介绍了基于吸波机理的超表面隐身技术研究进展,包括完美吸波结构、多频带吸波结构、宽频带吸波结构、宽角域吸波结构;再次介绍了超表面雷达隐身与其他功能的复合设计研究,包括超表面隐身强度复合设计、超表面吸波透波散射一体化、雷达红外兼容隐身等内容;最后总结了一些超表面在隐身技术应用中存在的问题和未来的研究方向。

杨氏双缝干涉实验中引入偏振片的教学思考及分析

将偏振片引入杨氏双缝干涉实验,并讨论不同组合时干涉条纹的规律,是一道很有意义的习题,然而,常见的解答——“无固定相位差”,对问题的本质认识不够深入。本文运用马吕斯定律和波的叠加原理,计算了叠加后的衬比度。定量计算表明,在杨氏双缝干涉实验中,引入三个偏振片时,没有干涉条纹的物理实质是存在投影相位差,并且指出,在这一问题中,投影相位差是干涉条纹存在与否的决定性因素。文章物理图像直观,适合在课堂教学中运用,清晰地展示投影相位差的作用,也有助于学生对光源发光机理、干涉、偏振的概念以及偏振光干涉的深入理解与运用。

复合三角柱光子晶体传输特性研究

应用平面波展开法研究了二维复合介质柱光子晶体中引入缺陷和改变其折射率对传输特性的影响,得到了不同尺寸和介电常数下的透射谱,并与无复合介质柱光子晶体的结果进行了比较。结果表明:复合柱越细,禁带越宽,中心频率越高,变化关系与无复合柱的结果相反;复合柱折射率越大,禁带越窄,中心频率越低,与无复合柱的结果相同。

二维三角柱光子晶体的传输特性(英文)

利用时域有限差分方法对二维三角介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,计算了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同、入射波入射方向不同时光子晶体的传输特性。结果表明:光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,三角晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角在一定范围内对光子禁带有重要影响;对不同入射方向时光子晶体的传输特性的研究结果表明,在低频范围内,入射角对禁带宽度和中心频率没有任何影响,在高频段,透射率随入射角变大而降低。研究结果为实验上制作三角柱光子晶体器件提供了重要的理论依据。

2维超晶格结构光子晶体传输特性研究

为了研究超晶格结构对光子晶体禁带的影响,应用时域有限差分法对圆/椭圆、圆/复合柱超晶格结构光子晶体的传输特性进行了计算,得到了相应的透射谱。结果表明,对圆/椭圆超晶格,禁带宽度随椭圆柱截面积的增大而变宽,中心频率变大;对于圆/复合柱超晶格结构,椭圆柱内接于圆孔时,禁带宽度随截面积的增大而变窄,中心频率变小;当长轴垂直入射波方向时,高频段出现较宽禁带,低频禁带完全消失;而椭圆孔中内嵌圆柱时,禁带宽度变化与前者相反。该研究为光子晶体器件的制作提供了理论依据。

SiO_2/Si光子晶体透射特性的数值研究

为了了解电磁波在2维三角晶格SiO_2/Si光子晶体的传输特性,利用时域有限差分方法进行了数值模拟和计算,并研究了SiO_2介质柱的形状和入射波模式的变化对晶体透射特性的影响。计算后得到多种情况下该光子晶体的透射率与入射光频率的关系曲线。结果表明,禁带的宽度和位置与构成光子晶体中SiO_2的形状有关,SiO_2柱半径变大则禁带变宽且禁带中心频率变大,半径为0.4α时,禁带宽度达到最大值。与TM模相比,TE模入射时,光子晶体更易形成禁带。这为光子晶体的实验制作和应用提供了理论依据。

高斯波束在光子晶体中的负折射特性分析

为了研究光子晶体中的负折射行为,我们应用2维TM模时域有限差分方法,数值模拟了高斯波束从自由空间垂直入射和斜入射到二维三角晶格光子晶体平板后的折射现象,并给出了平板内外的电场强度分布。模拟结果显示:垂直入射时,光子晶体平板对高斯波束具有汇聚作用,汇聚特性随着波源到晶体的距离的改变而发生显著的变化;斜入射时,折射波束与入射波束也均在法线的同一侧。结果证明了高斯波束在光子晶体和空气的交界面发生了负折射。模拟结果有望在制作聚焦透镜、带通滤波器、耦合器等光子晶体器件方面得到重要应用。

光子晶体波导传输特性的计算和模拟

应用时域有限差分法研究了在空气孔-介质光子晶体波导中引入一空气柱后对光学传输特性的影响。结果表明:引入空气柱后,通过改变空气柱的半径及其在波导中的位置,能使其透射特性产生显著的变化。在归一化频率>0.26的高频段,透射率迅速降低;空气柱半径越大、越靠近入射源,透射率越小。通过数值模拟对计算结果进行了验证。

基于LC耦合机制调谐设计薄屏宽带频率选择表面

以环形单元为基础设计出一种三屏金属阵列通过两层薄介质级联的频率选择表面(FSS)。建立等效电路模型,根据传输线理论给出金属栅格阵列(感性表面)与间隔的金属方环(容性表面)的近似电容、电感公式,通过调整结构几何参数分析LC耦合机制,调谐出最优的宽带传输特性。最后,采用PCB加工工艺制备了FSS样件并在暗室进行了传输特性测试。得到的测试结果与数值结果一致,结果表明这种频率选择表面对电磁波大角度入射和不同电磁波极化方式都具有稳定的传输特性。

复合介质柱缺陷光子晶体波导透射谱的研究

为了更好地利用光子晶体的导光和滤波性质,采用时域有限差分方法研究了在光子晶体波导中引入复合层状介质柱缺陷后,复合层状介质层的材料在折射率、厚度等参量改变时,2维光子晶体透射率随入射光频率变化的关系。结果表明,随着介质柱半径及折射率的增大,透射谱中导带内出现更多模式的缺陷态,当介质柱半径接近光子晶体空气柱半径时,可以产生频率范围更大的导带,介质柱折射率比较大时,会在导带内形成窄的禁带。实际应用时可根据具体需要调节。该研究为利用光子晶体制作滤波器和光开关等器件提供了理论基础。

波尔共振实验中值得探讨的两个问题

从实验原理出发,计算相位差的不确定度,并对由公式计算的φ理值与实际测得的φ测值进行比较,发现二者之差最大可达到4.2°。分析了受迫振动相频特性曲线的变化规律,对部分论文中出现错误的相频特性曲线进行讨论,最后得出结论:随着驱动力频率的增大,振幅与驱动力之间的相位差应是逐渐减小的。

对密立根油滴实验测量方法的分析及改进

分析了密立根油滴实验中平衡电压初始值的选择及下落距离改变时油滴带电量的计算等问题,进而对实验中的一些操作方法提出改进方案,为学生有效地完成实验提供切实可行的方法.

溅射气压对ZnO薄膜生长、发光性能和结构的影响

沉积缺陷少、晶粒高度c轴择优生长的ZnO薄膜是制备短波发光器件和压电谐振传感器的关键问题之一。以ZnO为靶材,采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备纳米ZnO薄膜,实现了室温下强的紫外受激发射和弱的深能级发射。通过对薄膜表面形貌的观测,以及对X射线衍射(XRD)谱和室温光致发光(PL)谱的分析,研究了不同溅射气压对ZnO薄膜生长、结构和发光性能的影响。结果显示溅射气压在1.9 Pa-3.5 Pa之间,晶粒直径先增大后减小,在2.6Pa时晶粒生长到最大;在3.2 Pa时薄膜单一取向性最优,以此推断最佳的溅射气压在2.6 Pa-3.2 Pa之间。实验在玻璃衬底上制备出了XRD衍射峰半高宽仅为0.12°的、高度c轴择优生长的ZnO薄膜。

方形螺旋超材料吸波器的设计研究

文中设计一种方形螺旋超材料吸波器。为了更好地理解方形螺旋的吸波机理,将方形螺旋与闭合方环结构进行比较,以期为实现高灵敏度吸波器提供理论依据。仿真结果表明:超材料表面方形螺旋为一圈时,在4.22GHz,6.80GHz处吸收率分别为98.83%和95.47%;方形螺旋为两圈时,在4.22GHz,4.38GHz和6.86GHz处吸收率分别为97.37%,84.9%和98.46%;当方形螺旋增加至三圈时,在4.22GHz,4.44GHz,5.32GHz和6.96GHz处出现了4个吸收峰值,吸收率分别为99.36%,78.2%,93.27%和94.86%。结果表明,随着螺旋间距的增大,吸收频带发生了蓝移,因此,所设计吸波器能实现更强谐振及更加简便的性能调节方式。

光学透明红外与雷达兼容隐身复合超表面

基于透明导电材料氧化铟锡(ITO)、高透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),设计并实现了光学透明超宽带雷达与红外兼容隐身的复合超表面。该结构由两个专门设计的光学透明超表面组成,由内到外依次为雷达吸波层、红外低发射层。通过调节谐振器尺寸和ITO的方阻实现了微波段8.0~32.0 GHz频带内吸收率高于90%的宽带吸波。利用高ITO占空比的容性频率选择表面,实现了微波段高透过率与红外波段低发射率,并进一步研究了其红外辐射特性。该结构具备较好的超宽频雷达吸波性能、低红外发射率与光学透明特性。

基于Matlab编程的扫描数据处理技术

本文采用Matlab编程处理实验数据,获得了磁感应强度沿z轴分量在磁体表面分布的网格图,并对结果中存在的问题进行了修正。本程序不仅适用于磁场的测量,还可用于其它物理量的测量,有效地解决了s型扫描数据不能直接生成网格图的问题。

基于频率选择表面的双大气窗口红外隐身研究（英文）

为实现双大气窗口红外隐身提出了一种新型双阻带频率选择表面(FSS).该结构由三层材料组成:金属四个多路交叉十字型谐振器、金属井字型结构、中间由介质层隔开.仿真结果表明对于垂直入射波所提出的双阻带FSS在两个大气窗(3.0~5.0μm和8.0~14.0μm)内具有较高的反射率并且透射率被抑制到0 1以下.研究了入射角、周期大小及介质厚度等对反射率和透射率的影响.在φ= 0°时 TE 和 TM 波在的宽入射角θ范围内均显示出良好的传输稳定性.通过 FSS 在谐振频点的电场及表面电流的分析结果发现 3 . 0 ~5. 0μm的反射是由于电谐振引起的而8.0~14.0μm的高反射是由于电谐振与磁谐振共同引起的.

基于超表面的无磁性材料环行器

目前,广泛应用的环行器均需要铁氧体材料并外加偏置磁场以达到环行效果,具有重量大,对温度敏感等缺点.本文基于透射型相位梯度超表面,利用相位梯度超表面的异常折射特性,基于几何光学原理设计了一种无需铁氧体材料和外加磁偏置的环行器.实验结果说明,在20.8 GHz附近,该器件呈现显著的环行效果.这种环行器重量显著降低,对温度变化不敏感,提供了一种环行器设计的新思路,具有潜在的应用前景.

Lowering plasma frequency by enhancing the effective mass of electrons: A route to deep sub-wavelength metamaterials

Deep sub-wavelength metamaterials are the key to the further development of practical metamaterials with small volumes and broadband properties. We propose to reduce the electrical sizes of metamaterials down to more sub-wavelength scales by lowering the plasma frequencies of metallic wires. The theoretical model is firstly established by analyzing the plasma frequency of continuous thin wires. By introducing more inductance elements, the effective electron mass can be enhanced drastically, leading to significantly lowered plasma frequencies. Based on this theory, we demonstrate that both the electric and the magnetic plasma frequencies of metamaterials can be lowered significantly and thus the electrical sizes of metamaterials can be reduced to more sub-wavelength scales. This provides an efficient route to deep sub-wavelength metamaterials and will give rigorous impetus for the further development of practical metamaterials.

基于多阶等离激元谐振的超薄多频带超材料吸波体

本文设计了一种超薄螺旋结构超材料吸波体,其厚度(1.034 mm)约为其工作波长(4.81 GHz,6.59 GHz,9.16 GHz,12.69 GHz和13.71 GHz)的(1/60,1/44,1/32,1/23,1/21).仿真和实验结果表明,该吸波体在4.81 GHz,6.59 GHz,9.16 GHz,12.69 GHz和13.71 GHz处吸收率分别达到94.55%、99.89%、99.73%、99.26%和99.41%,实现了多频带强吸收.从表面电流和功率损耗密度两个方面分析了产生强吸收的原因,理论分析表明,多频带强吸收能在五个相邻频率处产生多阶局域表面等离激元谐振,螺旋结构之间强烈的电谐振使超材料结构单元产生强烈的吸收.该超材料吸波体设计简单、易于制作和应用,在电磁波吸收中具有应用价值.