新型幻觉光学器件的机理分析和实验验证

幻觉光学器件，作为人工电磁材料的一个典型应用，正成为该领域的一个研究热点。所谓幻觉光学器件，是指能够让一个目标看上去和另外一个目标几乎一致的器件或装置，这种器件的研究具有重大的科学意义和广泛的军事应用价值。本项目对新型幻觉光学器件展开系统研究，包括器件设计、器件工作原理分析和实验研究。在器件设计上，我们将采用保角变换来设计新型宽带虚拟位移器件和新型宽带虚拟一变多器件，使得其本构参数所有分量均大于1，从而可以用人工电磁材料实现，而且可以在很宽的频带上工作；在器件工作原理分析上，我们将采用本征函数展开法对虚拟缩小器件、金属目标变介质目标虚拟器件进行理论分析，揭示其物理本质，从而使幻觉光学器件的理论研究达到一个新的高度；在实验研究上，我们将设计新的人工电磁材料单元结构和搭建新的测试平台来加工、制作和测量虚拟缩小器件、三维宽带虚拟位移器件、三维宽带一变多虚拟器件，为幻觉光学器件的实用化奠定基础。

新型人工电磁媒质在近十年得到了快速发展，特别是变换光学的出现，使得人们可以根据器件的功能快速设计出材料参数并借助于人工电磁媒质来实现。幻觉光学器件，作为变换光学器件的一类，有着独特的应用前景。幻觉光学器件能够改变原先目标的散射特征，使之与其他伪目标的散射特性相似甚至完全一致，因此在军事目标的伪装方面有应用价值。本项目对新型幻觉光学器件的设计、工作原理分析和实验测试展开研究，取得了重要进展：（1）运用本征模展开法，我们对虚拟放缩器件、环形聚焦透镜进行了理论分析，给出了这两种幻觉光学器件的场分析的解析解，从理论的角度对其功能进行了证明。（2）设计、加工、并测试了一个复杂幻觉光学器件：虚拟一变多器件，它能够将原先目标隐形并产生多个伪目标的雷达幻象，测试结果与仿真结果吻合良好。（3）设计了一个各向同性的放大透镜，从而可以用在较宽频带工作的人工电磁媒质来实现，我们首先在二维进行了加工和测试，验证了其对目标进行放大的功能；然后，我们更进一步，加工、制作了三维宽带放大透镜，除了能够将目标信息进行放大并传播到远场外，还能够将外部辐射的电磁波进行引导并聚焦到中间；另外一个应用，还能够用来增强电小尺寸天线的定向性和增益。（4）设计了一个环形聚焦透镜，它能够将远处的信息引导并绕过中间的障碍物，使之聚焦到障碍物后面的接收器上；反之，它能够将障碍物后面目标的信息进行放大并传播到远处。（5）我们在静电场也对幻觉器件进行了充分的研究，对电流集中器、单层隐身衣、局部隐身衣进行了加工和测试，运用电阻网络来模拟各向异性直流人工媒质，实验结果与数值结果完全一致。（6）我们提出并设计了一种光调控的直流变换器件，可以通过远处光的强弱对直流变换器件功能进行调节，为可调节的幻觉器件提供了一条新的思路。（7）我们也对表面波幻觉器件进行了研究，表面波作为一种特殊形式的电磁波，在电磁器件设计中起着重要的作用，因此表面的调控也有着重要的应用前景，我们运用变换光学原理设计了表面波器件。受本项目资助，共发表期刊学术论文36篇，培养硕士研究生5人，培养优秀青年教师1人，受资助参加国际学术会议4人次，邀请国外知名学者讲学2人次。在项目执行期间，我们对变换光学器件，特别是幻觉光学器件的工作原理、设计方法、单元结构、实验测试进行了探索和研究，提出了几种复杂幻觉器件，给出了具体的实现方案，丰富了人工电磁媒质的潜在应用研究。