应用渐变折射率新型人工媒质实现电磁波三维路径的调控

新型人工电磁媒质是将特定几何形状的亚波长基本单元周期或非周期地排列所组成的复杂结构,其电磁特征可通过等效媒质参数来描述,且等效介电常数和磁导率取决于基本单元结构。人们可以通过设计基本单元来控制等效媒质的属性,进而调控电磁波的传播。2006年3月,英国理论物理学家John B. Pendry爵士基于麦克斯韦方程的形式不变性提出了变换光学理论,为人们自由地操控电磁波奠定了理论基础,既可实现全新的物理现象,例如隐身、幻觉假象等,又能设计出性能突出的功能器件。近十年来,新型人工电磁媒质已迅速发展成一门新兴学科,而变换光学是该学科的一个重要分支并吸引众多领域学者的关注。然而,绝大多数关于变换光学及电磁波调控的论文局限于理论分析、数值仿真和二维实验验证,而且,可实现的人工电磁媒质大都频带窄、损耗大。

advs133-gra-0001-m一支由东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授、蒋卫祥教授、新加坡国立大学仇成伟教授、英国伯明翰大学张霜教授等组成的联合科研小组在运用新型人工电磁媒质调控三维电磁波方面的研究取得重要进展。该团队提出并实验验证了一个全介质半球形透镜,它展现了在调控三维空间电磁波传播路径方面的非凡功能,例如:高分辨率成像和三维路径控制。一方面,当多激励源放置在半球的中间区域时,它表现为一个阻抗与自由空间匹配的放大器件,使得亚波长尺度的多激励源可以分辨。这个功能与固体浸入透镜相关,该透镜是一种光学常用透镜,由均匀高介电常数媒质组成。这种光学透镜的原理在微波段并没有用来设计超分辨率成像透镜,然而超分辨率成像在微波段也是一个很重要的研究课题。而且,如果从光学直接平移到微波段,将导致边界处严重的折射率失配的问题,从而工作效率降低。另一方面,当电磁波从外部照射到半球形透镜上,它们将被螺旋式引导至中间,然后被紧贴在下表面的平面吸波材料吸收。该三维透镜由各向同性、非谐振人工电磁媒质组成,从而可由多层介质板中置入非均匀空气孔制作而成。由于低损耗、宽带等特点,该透镜有望在光波段和微波段亚波长成像、全向吸收和新型天线等方面得到应用。相关论文在线发表在 Adv. Sci.

相关工作得到了包括国家优秀青年基金在内的多项国家自然科学基金、国家仪器重大专项、全国优博专项基金、教育部111计划等项目的资助。