与负折射材料相关的电磁散射特性研究

本项目是对由负折射材料构成的功能性元器件的内部和外部的波的传播和散射行为进行研究，主要分为三个部分：第一、在长波极限下研究由负折射率材料组成的一些已有的功能器件对电磁波的散射性质。通过寻找相应材料的哈密顿量，然后用几何光学的方法得到材料内外的电磁场的传播特性；第二、从解析的角度考虑外部放置的物体对负折射材料器件的基本功能的影响，通过借鉴光子晶体中计算多个单元外部的散射场的方法，对由负折射材料构成的电磁学器件和外部物体组成的系统进行解析研究，从理论上分析当有外部的物体经过由负折射率材料构成的功能性电磁学器件的时候，其内部及周围电磁场随物体位置发生变化的规律；第三、推广计算散射场的方法，对不规则形状的由负折射率材料构成的电磁学器件与波的相互作用机制进行定量的分析。整个项目是对负折射率材料的内外部的物理特性进行研究，以期为将来的实验设计提供理论基础。

本项目的核心目标是对负折射率材料构成的功能性元器件的电磁学性质进行探索性理论研究，主要分析该类器件对电磁波入射后的响应现象（传播和散射行为）。针对这一目标，我们主要进行了以下几方面的工作：（1）用有限元全波模拟方法，对用负折射率构成的人工超介质功能性器件进行设计研究，目的是从波动光学的角度，给出不同功能的元器件的电磁场分布，从而得到相对直观的物理图像；（2）考虑用人工超介质单元实现器件的要求，用多重散射理论研究由不同层结构单元构成的人工结构对弹性波的散射行为，为后续考虑负折射率材料中外部物体对波传播性质的影响尝试寻找有效的方法；（3）对几何光学方法进行扩展，建立了人工介质材料的完整的光线理论，可以对各种情况的材料（各种电容率和磁导率）所组成的器件内部光线的传播进行模拟计算；（4）对几类由负折射率材料构成的器件，通过已经建立的光线理论进行分析，并对一些波动光学无法解释的奇异现象给出光线轨迹图像，尤其是对超散射体相关的功能器件内部的特殊光线分布进行探索，初步解释光线传输细节。.通过在以上四个方面开展工作，我们得到了如下的结果：（1）首先由补偿介质概念，我们找到了一种材料参数变化平缓的椭圆柱型隐身斗篷的设计方案，并用它实现隐身斗篷的虚拟低空飞行的效果。另外，我们还用负折射率材料设计并实现了开口的完美隐身斗篷，传统隐身器件实现完美隐身效果的同时，却存在内外都不透明的缺点。开口隐身斗篷这一设计理念克服了这一缺点，实现隐身斗篷内外的信息交换；（2）发展多重散射理论，给出了由不同层结构单元构成的声子晶体的能带结构、散/透射系数的计算方法，并对相应的模型进行了计算，验证了这一算法对设计实现多通道滤波效果的功能器件的有效性；（3）通过几何光学的方法，明确得到了各种负折射率材料相应的哈密顿量，在此基础上建立了人工介质材料中的完整的光线理论，并利用此光线理论对一些特殊器件（波集中器）内部电磁场的传输行为进行了解析计算，直观地给出了负折射率材料器件内部的光线传输轨迹；（4）进一步发展光线理论，对由负折射率材料构成的器件所表现的其它特殊（变形，移位，放大等）效果进行了详细分析，在直观地给出光线散射轨迹图像的同时，也给出了一些特殊区域内波动光学（有限元全波模拟）无法描述的细节图像，并对在器件边界上出现的场强的类似于发散的极大值问题进行了初步探讨。