本文選題：變換光學(xué) + 人工特異介質(zhì)��； 參考：《浙江大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：自從2006年的變換光學(xué)隱身斗篷提出之后,變換光學(xué)理論迅速發(fā)展起來(lái)。各國(guó)的科研人員使用變換光學(xué)的方法設(shè)計(jì)了各種變換光學(xué)器件,比如隱身斗篷、天線罩、幻象光學(xué)器件等等。很多變換光學(xué)器件在實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證。與此同時(shí),變換光學(xué)也從最初的控制電磁波方面轉(zhuǎn)向了各種物理場(chǎng)的人工調(diào)控中,比如應(yīng)用于熱學(xué)、聲學(xué)、靜電靜磁學(xué)等等。本文從變換光學(xué)的理論推導(dǎo)出發(fā),首先,推導(dǎo)了散度和旋度在任意坐標(biāo)系下的表示方法,然后根據(jù)麥克斯韋方程組在坐標(biāo)變換下的協(xié)變性推導(dǎo)出了在任意坐標(biāo)變換下的空間參數(shù)與材料參數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。之后推導(dǎo)了共形變換以及導(dǎo)熱方程的坐標(biāo)變換理論。之后我們利用這些理論推導(dǎo)了如何消除二維平面介質(zhì)奇異點(diǎn)的理論,并且利用該理論成功的將Zhukovsky共形變換設(shè)計(jì)的隱身斗篷中的奇異點(diǎn)消除。接下來(lái)就是變換光學(xué)在各種物理場(chǎng)下設(shè)計(jì)的新型器件。首先是新型微波器件的設(shè)計(jì),我們實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了使用嚴(yán)格共形變換設(shè)計(jì)的微波隱身斗篷的性能,實(shí)驗(yàn)中使用了高介電常數(shù)介質(zhì)粉末與刻有結(jié)構(gòu)的印刷電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍介電常數(shù)的分布,實(shí)驗(yàn)證明了我們?cè)O(shè)計(jì)的隱身斗篷具有寬帶、無(wú)波束橫向位移等優(yōu)點(diǎn)。我們也設(shè)計(jì)了相位陣列天線的天線罩,用來(lái)增大天線的偏轉(zhuǎn)角度。我們使用了變換光學(xué)方法和幾何光學(xué)方法分別設(shè)計(jì)了可以增大天線偏振角度的天線罩,并且進(jìn)行了仿真。我們還使用變換光學(xué)的方法設(shè)計(jì)了表面等離子體激元的偏振旋轉(zhuǎn)器和模式轉(zhuǎn)換器。我們?cè)O(shè)計(jì)的器件具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn),在今后的光集成系統(tǒng)中可能發(fā)揮它的作用。我們還使用變換光學(xué)設(shè)計(jì)了兩個(gè)新型熱學(xué)器件。一個(gè)是均勻加熱器件,不同于以往的電阻絲網(wǎng)絡(luò)加熱器,我們?cè)O(shè)計(jì)的加熱器可以使用小熱源獲得一個(gè)大面積的高精度均勻加熱,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其效果。另外一個(gè)是熱透鏡,它具有許多新穎的功能,比如熱聚焦、遠(yuǎn)程制冷、抑制熱擴(kuò)散等。我們通過(guò)仿真驗(yàn)證了其效果。對(duì)于多物理場(chǎng)的同時(shí)調(diào)控,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)比較容易實(shí)現(xiàn)的多物理場(chǎng)隱身器件,并首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了其有效性。該隱身器件可以同時(shí)對(duì)電流和溫度場(chǎng)隱身。最后,總結(jié)了全文,同時(shí)對(duì)變換光學(xué)器件的發(fā)展提出了展望。
[Abstract]:Since the introduction of the invisibility cloak in 2006, the theory of transformational optics has developed rapidly. Researchers in various countries have designed various optical devices, such as cloak, radome, phantom optics and so on. Many conversion optical devices have been verified experimentally. At the same time, transformational optics has changed from the original control of electromagnetic waves to the manual control of various physical fields, such as heat, acoustics, electrostatic magnetics and so on. In this paper, based on the theoretical derivation of transform optics, the representation of divergence and curl in any coordinate system is first derived. Then, according to the covariance of Maxwell's equations under coordinate transformation, the transformation relationship between space parameters and material parameters under arbitrary coordinate transformation is derived. Then the coordinate transformation theory of conformal transformation and heat conduction equation is deduced. Then we use these theories to deduce the theory of how to eliminate the singularity point of two-dimensional plane medium and successfully eliminate the singularity point in the stealth cloak designed by Zhukovsky conformal transformation. The next step is the design of a new device for transforming optics in a variety of physical fields. First of all, the design of new microwave device. We have verified the performance of microwave stealth cloak designed by strict conformal transformation. In the experiment, high dielectric constant dielectric powder and printed circuit board with structure are used to realize the distribution of dielectric constant in a wide range. The experiment proves that the stealth cloak we designed has the advantages of broadband, beamless transverse displacement and so on. We also designed the radome of the phase array antenna to increase the deflection angle of the antenna. We have designed the radome which can increase the polarization angle of the antenna by using the transform optics method and the geometric optics method, and have carried on the simulation. The polarization-rotator and mode converter of surface plasmon are also designed by means of transform optics. The device we designed has the characteristics of compact structure, which may play a role in the future optical integration system. We have also designed two new thermal devices using transformational optics. One is a uniform heater, which is different from the previous resistive wire network heater. The designed heater can use a small heat source to obtain a large area of high precision and uniform heating, and its effect is verified by experiments. The other is the thermal lens, which has many novel functions, such as thermal focusing, remote cooling, heat diffusion suppression and so on. The effect is verified by simulation. For the simultaneous control of multi-physical fields, we design a multi-physical field stealthy device which is easy to realize, and verify its effectiveness in experiments for the first time. The stealth device can conceal both current and temperature fields. Finally, the paper summarizes the full text, and puts forward the prospect of the development of the transformational optical device at the same time.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O43

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本文編號(hào)：1993713