基于Ω型共形超颖表面的曲面全息

共形超颖表面可以打破物体几何形状与光学功能之间的限制,使散射波前得到任意的调制。文中展示了一种自适应的共形超颖表面,该超颖表面由非手性镜面对称的型金纳米天线组成,可以集成在任意形状的基底上,在可见光范围内（=450 nm）实现曲面全息。共形超颖表面的相位调制方法依赖于贝里相位,通过旋转纳米天线的方位角,可以在每个亚波长单元中进行连续的相位控制。这种共形超颖表面包裹在曲面拓扑物体上可以用于各种实际应用中,如曲面透镜聚焦、隐身和安全打印技术。     

任意形状隐身斗篷和电磁旋转器的研究

以无限长超材料任意形状壳为理论模型,研究超材料这种新型人工复合材料。在变换光学中,空间变换可以被认为是材料的变形,变换空间的介电常数和磁导率张量是材料的变形场得到的。通过数值求解拉普拉斯方程,根据光学变换理论,可以获得超材料的材料参数。利用全波仿真的方法仿真二维任意形状的隐身衣,电磁旋转器和集中器。当斗篷的介电常数和磁导率满足理论值时,隐身衣和电磁旋转器表现出完美的隐身和电磁旋转等特性。     

超精密抛光自由曲面光学的表面生成

超精密抛光是一种新兴的用于制造高精度、高品质的自由曲面光学加工技术.该技术可突破其他自由曲面加工技术的限制.如飞刀铣削和快刀伺服加工的低效、非铁材料的局限等.然而,对超精密抛光中表面生成机理的理解,目前还不完善.探讨了超精密抛光过程中加工策略对表面生成的影响.进行了一系列抛光实验.研究结果表明:抛光表面的质量很大程度上依赖于加工过程条件及抛光策略的适当选择.抛光加工不仅可用于去除其他加工方式所产生的不利性刀纹,还可以产生功能性应用的结构性表面.该研究结果为深入理解超精密抛光自由曲面光学的表面生成机理,以及优化超精密抛光的表面质量,提供了重要依据和方法.     

3维曲面振镜激光加工FPLSCM算法实践

为了高质量地将目标图像标刻在任意曲面上, 需要将计算机中排版的2维数据转换为3维数据从而形成具体振镜加工轨迹数据。在大量激光标刻实验测量与计算的基础上, 采用一种对任意自由曲面进行最小化失真展开的区域重点最小二乘共形展开(FPLSCM)算法, 完成了实用的3维振镜激光加工系统软件设计, 并进行了理论分析和实验验证, 取得了大量标刻测量数据。结果表明, 在z轴上下300mm范围内, 本算法能有效将由于高度与待加工表面形状差异带来的标刻畸变控制在1%左右, 并且在各类3维曲面上都得到了很好的加工效果。此研究成功实现了在自由3维曲面上利用动态聚焦技术完成各种表面加工的工作, 并通过优化算法有效减少了畸变。     

自由曲面光学的超精密加工技术及其应用

突破传统光学成像系统设计理论和方法,将自由曲面引入光学成像系统中,极大地提高了系统的成像质量和能量的传输效率;采用先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件,解决了自由曲面光学元件加工的技术瓶颈.开发了自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法,以及多轴超精密数控加工光学自由曲面的自动编程及其刀具轨迹仿真系统,建立了自由曲面三维拓扑预测模型与优化系统,研发了多个自由曲面测量及评估方法,并搭建了自由曲面光学设计、加工、测试一体化的集成平台.上述核心技术有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题.研究成果推动了超精密加工及纳米测量领域内的技术进步.     

GTD应用中任意凸曲面表面爬行波射线寻迹

射线寻迹是几何绕射理论(GTD)解决高频电磁散射和辐射问题的关键步骤.本文通过引入动态规划的数学优化方法,得到了任意凸曲面表面绕射射线的一般寻迹规划模型.并对无限长圆柱、旋转抛物面和任意构造的一凸曲面上爬行射线进行了寻迹计算,结果表明模型方法是正确的.该方法还可以应用到非均匀媒质任意凸曲面的爬行射线寻迹.     

基于可编程超表面的Wi-Fi信号调控

可编程超表面是由可调谐的单元在二维平面上组成的平面阵列,具有任意、动态操控电磁波波前的能力,是微波领域前沿研究方向之一.尽管目前基于可编程超表面的电磁调控研究已取得丰硕进展,但是现有技术都需要采用专用发射源主动馈电超表面,这不仅增加了实际系统的复杂性和成本,而且在一定程度上限制了这些技术在现实环境中的应用.因此,该文提...     

MUSIC算法在柱面共形天线阵DOA估计中的应用研究

由于柱面共形天线阵所具有的特殊性质,使得其在利用经典MUSIC算法进行DOA估计时,性能会受到较大影响.通过将柱面共形阵划分为多个子阵的方法,可以有效地解决此类问题.仿真结果表明,该方法能应用于柱面共形阵的DOA估计,并容易推广到任意曲面共形阵.     

电磁超表面透镜的前沿成像应用进展

电磁超表面是电磁超材料的一种二维形式,它由许多亚波长结构单元按某种特定规律排列形成,可以实现对电磁波相位、偏振和振幅的任意调控。与传统光学器件相比,它具有超薄的厚度,其小型化、紧凑化、易于集成等优点在光学系统中具有广泛的应用前景,掀起了国内外的研究热潮。文中首先从超表面的波前调控原理入手,对电磁超表面透镜成像机理进行了阐述,接着介绍了电磁超表面透镜在成像应用中的一些前沿进展,最后进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。     

应用NURBS-UTD方法分析受扰方向图

 本文研究基于任意曲面建模的UTD方法,引入NURBS曲面建模技术对电大尺寸目标建模,给出了NURBS-UTD方法中反射射线场以及表面绕射射线场的数值求解方法。与曲面有关的具体参数,根据微分几何的基本原理结合参数曲面定义使用各种数值方法进行处理,对线积分使用定义展开。针对实际当中任意几何造型的电大尺寸平台的电磁特性分析,本文方法不仅能够处理初等解析曲面,也能够处理任意弯曲的曲面模型,并且不需要消耗大量计算资源又提高了建模精度,文中给出实例进行说明。     

变换光学中的几个数学问题分析及其在隐身毯设计中的应用

变换光学(TO)是目前电磁领域的一个研究热点,为了对基于TO的隐身斗篷设计提供更深入的理论支持,该文对TO的3个基本数学问题进行了讨论。首先分析了基于Maxwell方程组3维坐标变换下变换形式的唯一性问题,提出了不同于参考文献的新变换方式,指出了可以灵活调整变换空间特性阻抗的变换方法。以此为基础,提出了以自由空间的场分布为原始空间,通过变换获取到可以隐藏在介质包围区域中并和介质阻抗匹配的隐身斗篷设计方法。然后以基于波动方程的2维TO为研究对象,分析了以电场分量波动方程为基础进行2维变换时,磁场所满足的变换关系和对应的边界条件特性,同样指出了可以隐藏在介质包围区域中并和介质阻抗匹配的隐身斗篷设计方法。最后从数学上证明了2维变换下共形变换对于设计出非各向异性介质隐身斗篷的充分必要性。以上述讨论为基础,该文给出了一个嵌入式斗篷的仿真验证示例。该文的研究内容和结论对基于TO的各种电磁应用提供了理论支持。     

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。     

A Reconfigurable Multifunctional Metasurface for Full-Space Control of Electromagnetic Waves

Metasurfaces have attracted much attention in recent years due to their powerful abilities in manipulating electromagnetic (EM) waves. However, most of the previously reported metasurfaces are incapable of real-time control of full-space EM waves, including transmission, reflection, and absorption at the same time. In this paper, a reconfigurable multifunctional metasurface is proposed that demonstrates real-time control of transmission, absorption, and reflection of EM waves, which can be continuously controlled from total transmission to total reflection, and to perfect absorption. In the case of total reflection, the reflected waves can be further manipulated in a programmable way by changing the digital coding sequences via bias voltages. Meanwhile, the metasurface can independently control vertical and horizontal polarized waves in broadband. The reconfigurable functionalities of the metasurface are validated by experiments, which agree very well with numerical simulations. In addition, a potential application of the reconfigurable multifunctional metasurface in a stealth radome is proposed and demonstrated.     

基于光学保角变换的电磁器件设计

保角变换是基于解析函数的一种非常重要的解析方法,利用保角变换可以将虚拟空间中复杂的边界曲线转化为物理空间中简单的边界曲线,从而求解二维平面场问题。文章主要综述并介绍保角变换在几何光学中的应用,通过控制光线传播来设计完美隐身衣、中继透镜、波导弯角和透镜天线等新型电磁器件。最后利用射线追踪仿真和全波仿真对设计加以证明。     

Radiation-Type Metasurfaces for Advanced Electromagnetic Manipulation

Manipulating the phase, polarization, and energy distribution of electromagnetic (EM) waves has facilitated numerous applications. Nowadays, metasurface provides an innovational scenario to carry out more promising and advanced control of EM waves. However, it is a great challenge to manipulate polarization, phase, and energy distribution simultaneously with a low profile. Herein, a class of single-layer radiation-type metasurfaces to achieve advanced EM manipulation is proposed. Desired EM functions can be achieved based on the geometric phase and resonant phase. Such metasurfaces enable the capability to manipulate arbitrary phases and linear polarization states simultaneously. Moreover, arbitrary energy distributions can be controlled. As examples of potential applications, three advanced EM functional devices are presented: a novel multiple-input multiple-output antenna with efficient crosstalk suppression and information encryption, an energy-controllable router, and a metasurface holographic imaging based on power transmission algorithm, respectively. The proposed strategy may open up an alternative way of controlling EM waves with advanced performance and minimalist complexity. Moreover, it may lead to advances in information encoding and cryptography.     

A Negative Conductivity Material Makes a dc Invisibility Cloak Hide an Object at a Distance

The theoretical design and the first experimental verification of an exterior dc invisibility cloak that can hide an object from dc detection at a distance are presented. Based on the transformation optics theory, the exterior dc cloak requires negative conductivity material to create folded geometry, which will cancel the real geometry of detected object in distance and make it invisible. Negative conductivities are designed and realized using active devices, together with resistor networks, to generate the equivalent conductivity materials required by the exterior dc cloak. An experimental sample of the dc cloak is fabricated on the printed circuit board and the measured result has excellent agreement with numerical and circuit simulations, showing very good cloaking performance at a distance.     

超表面调制天线的国内外最新进展

超表面调制天线是近年来从超材料技术中所衍生出来的前沿研究方向,对于新型电扫天线的设计具有重要意义,其具有低成本、低功耗、灵活可控等优势特性,在电磁场辐射、隐身等领域具有重要的应用前景.文章对电磁超表面进行了简要概述,总结了超表面调制天线的设计思路和工作机理,综述了国内外在超表面调制天线领域的研究进展和应用成果.最后阐述...     

共形整流罩技术研究

由于共形光学技术对红外制导导弹的空气动力学性能提高明显,近年来对该领域研究的投入不断加大,文章通过对比安装有共形整流罩导弹与传统导弹的作战性能,说明了共形光学技术在提高导弹机动性和隐身性方面的优势,论述了共形光学研究领域的难点问题,详细介绍了固定校正器、反向旋转位相板、可变形性反射镜等几种设计方案,用于消除共形整流罩随扫描视场变化的像差,并对各方案的优点与不足进行了讨论,简单介绍了共形光学零件加工与检测技术,最后对共形光学的未来进行了展望。     

Plasmonic Metasurfaces for Simultaneous Thermal Infrared Invisibility and Holographic Illusion

In 1860s, Gustav Kirchhoff proposed his famous law of thermal radiation, setting a fundamental contradiction between the infrared reflection and thermal radiation. Here, for the first time an ultrathin plasmonic metasurface is proposed to simultaneously produce ultralow specular reflection and infrared emission across a broad spectrum and wide incident angle range by combining the low emission nature of metal and the photonic spin–orbit interaction in spatially inhomogeneous structures. As a proof‐of‐concept, a phase gradient metasurface composed of sub‐wavelength metal gratings is designed and experimentally characterized in the infrared atmosphere window of 8–14 µm, demonstrating an ultralow specular reflectivity and infrared emissivity below 0.1. Furthermore, it is demonstrated that infrared illusion could be generated by the metasurface, enabling not only invisibility for thermal and laser detection, but also multifunctionalities for potential applications. This technology is also scalable across a wide range of electromagnetic spectrum and provides a feasible alternative for surface coating.