全参数完美匹配层的人工实现

In Physics, the "black body" is an idealized material that absorbs all incident electromagnetic radiation without any reflection, regardless of frequency, angle of incidence or polarization. In Electromagnetics, the perfectly matched layer (PML) possesses the same property as a black body of which the uniaxial PML is the most representative one. PMLs do not naturally exist due to their non-Maxwellian constitutive parameter tensors, which can only be defined mathematically. In this project, based on this applicant's previous research, the specific theory and method for the artificial realization of effective medium with constitutive parameters strictly satisfying the uniaxial PML model will be studied. By combining the characteristic of controllable dispersion of conventional metamaterial and the gain-assistance property of active medium, experimental microwave PML samples can be implemented to investigate their electromagnetic properties. The physical realization of artificial PMLs having similar response of a black body or a PMLhas scientific significance, which can find a wide range of potential applications such as new-principle active absorption, EMC and electromagnetic invisibility.

在物理学中，“黑体”（Black body）是可以完美吸收任意频率、任意极化和任意入射角度电磁波的假想媒质。在电磁学中，“完美匹配层”（PML：Perfectly matched layer）具有相同的电磁波吸收特性，其中单轴PML最具代表性。PML具有Non-Maxwellian的本构参数张量，与理想黑体一样只能由数学定义，在自然界中并不存在。本项目基于申请人的前期研究成果，拟结合人工媒质的材料色散可以精确控制的机理及有源人工媒质的增益补偿特性，研究获得严格满足单轴PML本构参数模型的等效媒质的原理和方法，物理实现微波频段的PML实验样品，并对其电磁特性开展相关的实验研究。利用人工方法物理实现具有等效黑体或PML电磁响应的等效媒质具有重要的科学意义，同时在新体制的有源电磁吸收材料、电磁兼容及电磁隐身等领域有着潜在的重要应用。

本项目是国家自然科学基金青年项目“全参数完美匹配层的人工实现”。本课题研究了利用人工电磁材料的构造理论，设计、实现电磁参数满足完美匹配层参数形式的电磁吸波材料、电磁隐形材料、电磁透明材料及电磁增益材料的方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。通过课题组研究人员的努力，取得了一系列创新性成果。.具体包括：.（1）提出了满足因果律的有源增益微波材料的构造条件及实现方法，并在微波频段首次实验演示了同时具有绝对增益和负折射率的人工微波媒质，为实现全角度Brewster吸波表面奠定了基础；.（2）基于电磁感应透明机理，研究了针对特定极化的无散射“粒子”的构造机制，实现了自由空间中任意角度完美隐形的电磁真空材料及电磁透明材料；.（3）基于空间色散人工电磁材料的构造方法，设计实现了在宽带范围内符合空间Krammers-Kronig关系的全角度完美匹配电磁波吸收材料。.本项目组在国际顶级期刊上发表了一系列创新性成果，其中包括《science》1篇，美国科学院院刊《PNAS》1篇，《Nature communications》2篇，影响因子大于9的论文共4篇。