还原论视角下的时变超构材料构建与等效媒质理论研究

等效媒质理论是从微观角度出发,根据复合材料的结构特点,研究其宏观意义上材料参数的方法。将空间等效媒质理论推广到时间等效媒质理论,以时变声学超构材料为例,从理论上推导超构材料的材料参数在时间上以高频率调制时,其等效参数形式。基于还原论思想,在COMSOL Multiphysics数值仿真软件中设计时变人工原子进而构建时变超构材料,从数值上验证时间等效媒介公式的正确性,进而扩展等效媒质理论体系。

EBG高阻表面的准静态等效媒质模型

针对电磁带隙高阻抗表面的电磁特性问题,提出了一种新型准静态等效媒质模型,建立了电磁带隙高阻抗表面的几何特性、媒质特性和电磁特性之间的定量关系.当工作波长λ远大于电磁带隙高阻表面每个单元的几何尺寸时,高阻表面与波的宏观相互作用相当于等效媒质.通过准静态电磁理论的分析建立的高阻表面等效媒质模型,可对电磁带隙高阻表面和应用的天线系统各自独立地进行设计.最后给出了分析计算值和实验之间的相互比较,证明了该理论模型的有效性.

等效媒质理论对光子晶体结构负折射的预测

我们利用等效媒质理论对在空气中以正方晶格排列的二维光子晶体结构的负折射的实现进行了预测。根据FDTD的模拟结果,由Snell定律验证了理论计算的参数的正确性。结果表明,使用等效媒质理论可以对所需要的折射率值进行比较准确的预测。通过利用等效参数的计算结果可以对结构在不同频段表现的电磁特性加以有效利用。

电磁超材料——从等效媒质到现场可编程系统

电磁超材料是由亚波长单元周期或非周期地排列而组成的人工电磁结构,可通过设计结构单元及其排布自由地控制电磁波,是信息领域的研究热点之一.本文介绍了东南大学毫米波国家重点实验室从事电磁超材料研究的历史和最新进展,主要分为3个发展阶段.第1阶段发展了等效媒质超材料,提出了超材料结构的等效媒质一般性理论,实验验证了宽带地面隐身衣、电磁黑洞、电磁幻觉及各向异性零折射率等奇特物理现象及功能器件,并在超材料变换光学透镜、平板透镜天线,以及宽带电磁隐身表面等方面获得了应用.第2阶段开拓了基于人工表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)传输线的微波领域新方向,提出一种超薄、低损耗、条带式的SPP传输线,能在共形曲面上传输无畸变的SPP波;基于此,研制了一系列微波SPP无源器件、SPP放大器和倍频器,以及SPP天线,构建了首个全SPP无线通信射频收发系统,在间距为深亚波长的两个通道上实现了两个独立视频无干扰的超视距传输.第3阶段创建了信息超材料新体系,提出用数字编码表征超材料的新思想,通过控制不同的数字编码序列实时地调控电磁波,实现了超材料的现场可编程功能;提出在信息超材料的物理平台上进行信息熵操作及相关的数字卷积定理和加法定理,在物理空间上构筑起数字空间,实现了对电磁波和数字信息的同时调控;基于此研制了新架构的微波成像系统、无线通信系统和智能感知系统.

含气泡弱可压缩弹性材料的等效媒质法

声波在含气泡弹性材料中传播时不仅使固相介质产生形变,而且会使气泡非线性振动,据此建立了含气泡弱可压缩弹性材料的等效媒质法。利用等效媒质的微单元与含气泡材料的微单元具有相同的应力和应变,求得了含气泡材料的等效Lame系数,并得到了含气泡材料的非线性波动方程。其线性化结果与Gaunaurd的经典理论相比较,有很好的一致性。本方法还可给出含气泡弱可压缩弹性材料的另一重要参数——非线性系数。

等效方法与等效原理

给出了等效的功能性定义,提出了结构、功能等效原理,用媒质等效法简单地导出了单色平面电磁波在良导体表面上的反射、折射特性。

亚波长浮雕结构的红外抗反射研究

基于等效媒质理论 ,对周期性浮雕结构的抗反射特性进行了分析和研究 .给出了二维对称的抗反射浮雕结构等效光学参数的估算方法 .提出了基于最小特征尺寸考虑的脊基和隙空的设计概念 .利用离子束刻蚀工艺技术 ,在 Si片上制备了一种两维红外抗反射浮雕图案 .测试结果表明 ,这种表面结构像单层抗反射膜一样 ,具有很好的增透效果 ,表面结构的等效折射率相当于镀层材料折射率 ,而刻蚀深度则相当于镀层的 1/ 4波长厚度 .

Mo-Al_2O_3金属陶瓷颗粒膜的光学常数研究

采用磁控溅射技术在不锈钢片上沉积了Mo-Al2O3金属陶瓷混合膜,将Maxwell-Garnett等效媒质理论应用于Mo-Al2O3颗粒膜的光学常数分析,分别以Mo和Al2O3的块体材料和溅射薄膜的光学常数为基础,理论计算了不同金属填充因子金属陶瓷颗粒膜在300nm～800nm波段范围内的光学常数n,k随波长λ的变化规律,同时对理论计算结果与实验测试结果之间存在的差异及其产生的原因进行了讨论。

热喷涂纳米β-SiC/LBS涂层的吸波性能

应用喷雾造粒技术对纳米β-SiC/LBS复合吸波粉末进行团聚造粒,采用超音速火焰喷涂工艺制备高温纳米复合吸波涂层,并对复合涂层性能进行研究。结果表明,颗粒状β-SiC弥散在半熔融状态的LBS中形成涂层。涂层与基体的结合强度为8.46MPa,拉伸过程中,涂层从内部撕裂,并表现为脆性断裂。与普通陶瓷吸波涂层相比,复合涂层的吸波性能得到扩展;随着涂层厚度的增加,复合涂层对电磁波的衰减能力将从高频向低频移动。受到涂层抗拉强度的限制,复合涂层的厚度应该小于1mm。纳米β-SiC含量(质量分数)为46%时,复合涂层的电磁波反射率系数达到-13dB;当在涂层厚度相同而微波频率大于14GHz时,复合涂层的电磁波反射率系数均小于-10dB。数值模拟结果表明,当β-SiC质量含量为46%时,复合涂层的吸波性能最佳。

干涉-吸收型太阳光谱选择性吸收表面

基于等效媒质理论，用透反法确定了单靶溅射沉积的铝－氮复合膜的填充因子，并研究了不同填充因子复合膜以及由两层不同填充因子复合膜构成的干涉－吸收型选择性吸收涂层的热处理性能。结果表明，合理地选取复合膜的填充因子及厚度，可使刚沉积及经在真空中400℃，500℃保温1h热处理后的膜系的太阳吸收比α（AM2）＞0．94。80℃的法向发射比εn约0．04．α／εn＞20。

声学超材料减振降噪技术在载人航天工程中的应用研究

为解决传统减振降噪材料对飞行器在轨运行段低频段的噪声和振动控制效果不佳问题,研发突破传统材料属性限制的新材料,使声学超材料具有轻质、隔声、减振、负折射率等特性。综述了近年来声学超材料研究进展,分析了基于声学超材的减振降噪技术的理论基础、研究内容和实际应用,为声学超材料在载人航天工程领域中的减振降噪应用提供参考。

高阻电磁表面在单向辐射矩形环缝天线中的应用

基于平行板环境下高阻电磁表面(HIS)的等效媒质模型,设计制作了两种不同的单向辐射矩形环缝天线:一种是基于传统的金属反射面,另一种是基于所设计的HIS反射面。仿真和测试结果显示:金属反射面矩形环缝天线由于受到平行板模式的影响,其单向辐射性能较差;而HIS反射面矩形环缝天线则获得了较好的单向辐射性能,与金属反射面天线相比,不仅其工作频带内的前后抑制比和法向增益得到大幅提高,而且整个天线的厚度仅为金属反射面天线的31%。由此验证了HIS在实现单向辐射缝隙天线中的优越性及其广泛的应用前景。

亚波长结构抗反射表面的设计方法

对亚波长结构抗反射表面的设计原理和设计方法进行了较详细的论述 .基于等效媒质近似理论 ,给出了一维光栅结构的等效折射率 .描述了二维对称结构的一维近似分析方法及其等效折射率估算方法 .为得到大的特征尺寸 。

埋藏金属微粒的复合介质/电介质多层膜光学特性

对埋藏金属微粒的复合介质，利用Ｄrude介电理论和等效媒质理论计算了复合介质的介电函数，在此基础上对该复合介质与电介质组成的多层膜体系的光学特性进行了理论计算，讨论了金属微粒的体积分数、复合介质厚度和周期层数对多层膜的光学吸收率的影响。

一种斜层复合结构及其在吸波材料中的潜在应用

基于等效媒质理论,利用新型人工电磁材料的可控电磁特性设计了一种斜层复合结构,将这种结构应用于吸波材料可以有效解决入射角敏感等问题.该结构可由普通材料叠层实现,给出了一个由Ag-Na_3AlF_6纳米结构实现的特例。在365 nm对其进行全波仿真,验证了其正确性和有效性。对该吸波材料的适用频带做了进一步仿真,结果表明该结构对光频段的电磁波能够实现良好的吸波功能。

含泡胶质体层的声透射特性研究

对包含有限数目气泡的单层胶质体模型,在理论上研究了垂直入射的平面纵波的透射特性.利用计及多重散射效应的自洽场方法,严格求解了该模型中的声传播问题并得到了声透射系数.数值计算结果证明声波可在略高于气泡本征频率的频段内发生局域化,且局域化现象在气泡含量较小时已经出现.此外,采用等效媒质方法对该模型进行均匀化近似后求解了其声透射系数.在不同结构参数下,分析比较了两种方法所得结果的差异,考察了等效媒质方法的适用性.结果表明多重散射效应在气泡含量较低时已显著影响当前模型的声透射特性,尽管等效媒质方法在气泡含量极低(～10-5)时可简便的得到基本有效的计算结果,但当气泡含量变高(～10-4)时,忽略多重散射效应的等效媒质方法已不能正确的描述此类媒质的声传播特性.

基于计算机模拟制备工业级太阳光谱选择性吸收涂层及其耐候性的研究

基于等效媒质理论,用计算机软件设计了电介质−金属复合结构材料作为太阳能选择性吸热涂层,并在工业化生产设备上通过中频反应磁控溅射进行制备。探讨了反应气体流量与涂层光学常数的关系。场发射扫描电镜显示该涂层为多层膜结构,紫外−可见分光光度计测试后计算得到的涂层吸收比高达0.93,发射率为0.07,接近理论设计值。在铜加速乙酸盐雾试验15 h后,涂层的吸收比逐渐低于0.90,发射率大于0.12。紫外光照老化试验表明该涂层具备不低于10 d的耐久性能。

红外发射率的计算及应用

在辐射制冷、光热转换、红外隐身等领域,红外发射率是表征材料光学性能的重要参量。本文利用光学矩阵法并结合等效媒质理论对不同相体积分数和不同厚度的SiO_(2)/TiO_(2)复合涂层体系的红外发射率、可见及近红外波段的反射率等进行了模拟计算。利用上述方法可以对光学复合涂层红外发射率、反射率等光学性能参数进行预测,进而有效提高复合涂层相体积分数、膜厚等工艺参数的优化效率,减少实验工作量。该方法对于实现复合涂层的光谱选择性调控具有重要意义。

恒定引力场对电磁场的作用

本文通过对引力场存在时的麦克斯韦方程的研究,发现恒定引力场对电磁场的作用与某种各向异性的非均匀媒质等效,从而提出“等效引力媒质”假设,并导出了这种等效引力媒质的电磁性质方程和等效引力媒质光学的菲涅耳方程,明确指出等效引力媒质的光学性质与双轴晶体类似,最后提出在强引力场中检验广义相对论的设想。

一维亚波长光栅等效折射率描述光栅光谱特性的有效性研究

运用有效媒质、薄膜干涉及耦合波理论,结合数值寻优算法,采用不同形式的等效折射率来描述一维亚波长光栅的光谱特性。借助光谱误差函数及耦合波折射率,分别针对TE和TM模,对其他等效折射率在描述亚波长光栅时的有效性加以分析比对。研究结果表明:在光栅结构参数已确定的情况下,当归一化光栅周期Λ/λ<0.30时,TE模的二级近似折射率和精确近似折射率能够对其光谱特性给出高精度的描述;而对于TM模,由于光栅层中高级次谐波影响效应的显著性,导致用相应等效折射率描述其光谱特性时精度下降。此外,在采用不同形式的等效折射率计算亚波长光栅光谱特性随光栅深度变化关系时,除TE模情形的二级近似折射率以及精确近似折射率外,其他情形采用等效折射率计算得到的光谱均可能与实际光谱产生较大偏差。