智能场控变换光学全介质隐身斗篷研究

Electromagnetic cloak based on the transformation optics usually consists of non-uniformity metallic unit cells and can conceal an object only at a frequency, which restricts its applications. In this proposal, we will develop a transformation optics cloak based on Mie resonance and study its actively controlled multifrequency effects. Based on the transformation optics, we study how the different order coordinate transformation functions affect the perfect or reduced column cloak, and the mechanisms of all-dielectric cloak using the electromagnetic interactions between the optical wave and the dielectric unit cells, and the coupling between the unit cells. Based on the design of the primitive cell of crystal, the Mie-resonance-based electromagnetic metamaterials with the anisotropy and spatially varying electromagnetic parameters can be designed to satisfy the required constitutive parameters of a cloak and are used to build all-dielectric cloak working at microwave or THz frequencies. The dynamic response functions of the dielectric unit cells and the cloaking performance varying with the external fileds will be derived, and then the relationship between the cloaking effect, scattering parameters and external fields can be built. This proposal offers a new way to realizing the actively controllable cloak with the multifrequency responses, which has the academic and applied values.

基于变换光学的电磁隐身斗篷通常由非均匀的金属结构基元构建而成，特定频点或频段的隐身效应限制了其实际应用。本课题拟研究一种基于介电颗粒Mie谐振原理的变换光学隐身斗篷及其外场调控多频隐身行为。由变换光学原理出发，由理论上研究不同阶次的坐标变换函数对柱状理想与简化参数隐身斗篷性能的影响规律；揭示利用电磁波与构建隐身斗篷的介电基元间的相互作用及基元间的耦合效应实现隐身斗篷的物理本质；利用晶体晶胞设计原理，实现电磁参数呈各向异性和梯度分布的全介质Mie谐振电磁超常材料；通过材料介电基元几何尺寸、形状、电磁参数、填充率和空间取向等参数设计实现不同波段（微波和THz波段）全介质隐身斗篷；阐明介电基元等效电磁参数外场响应函数，推演整个隐身斗篷性能动态变化的本征方程，建立隐身效果、散射参数与外场动态调节间的关联。该研究为多频率响应和主动控制隐身斗篷的实现提供了一种新的途径，有重要的学术意义和应用价值。

本项目按照计划进行，顺利完成研究计划。所取得的成果如下：（1）介电颗粒与电磁波相互作用及其对局域电磁场的可调谐控制：提出利用电磁场空间分布来直观研究单个及数个介电颗粒与电磁波的相互作用、强定向散射控制作用以及对相位约束作用；构造出了首个基于介电颗粒Mie磁谐振的各向同性近零磁导率亚波长介质，理论与实验验证了单层矩形样品和圆形样品对其中所传播的柱面波的相位调制作用，实现了波源的强定向发射性能以及近零折射效应；利用介电材料的温度调控特性，实现了温度主动调控的多工作频段的零折射效应。（2）超顺磁超-超材料的构筑及其高频磁响应：提出了一种基于超顺磁纳米颗粒的超-超材料设计思想，实现了较强的高频磁响应以及较弱的介电响应特性；研究了该超-超材料平板与金属银平板之间的Casimir力，理论预测了一定距离范围内的Casimir排斥，避免了MEMS中的粘着失效及摩擦磨损问题；利用纳米超顺磁颗粒的磁性受偏置磁场影响的特性可调控其高频磁导率，进而调控其Casimir力。（3）基于变换光学的任意多边形隐身器件设计算法：提出了基于顶点控制方法的任意多边形的变换光学隐身算法，得到了隐身材料的本构参数的通解表达式；将该算法应用到了某航空器的不同比例模型中，得到了理想的全波隐身仿真结果。（4）基于介质颗粒的温度调控变色龙隐身斗篷：理论证明了利用长方体介电颗粒的各向异性Mie谐振能实现各向异性的特异电磁参数，且其各向异性仅与颗粒的几何形状有关，而与具体尺寸和介电常数无关；基于上述原理，利用长方体介电颗粒构筑了首个单向全介质场控隐身器件，数值仿真和实验验证了其温度调控隐身效应；该工作为可调谐变换光学cloak提供了一种简便的设计思路和制造方法，并且可以容易地扩展到其他频段。