微波电磁超材料设计与应用研究进展

电磁超材料在二十多年的发展历程中,引发了学术界和产业界的广泛关注,在军事、民用等领域扮演着重要的角色.电磁超材料可以突破传统电磁器件电磁响应的局限,具有自然媒质所不具备的电磁特性.电磁超材料对不同频段的电磁波均具备优异的操控能力,进而演化出了多样化的电磁超材料功能器件.随着应用需求的不断提升,电磁超材料结构日趋复杂,功能趋向多元化.新材料与新工艺在电磁超材料中的融合应用不断涌现,以人工智能和优化理论为驱动力的超材料设计方法学研究蓬勃发展.本文结合近年来涌现出的研究成果和行业发展状况,简要总结了微波领域电磁超材料的发展应用态势.同时本文以近年知网论文数据库中收录的4949篇电磁超材料论文作为语料库,利用长短期记忆网络模型,从大数据角度,统计归纳了当前国内电磁超材料发展趋势.为从事本领域研究的科研人员提供了可资借鉴的方向展望.     

超材料技术的研究进展

超材料作为近年来研究热门之一,其所拥有的奇异特性具有非常大的应用前景.作为一种利用物体结构排列次序而使其产生特异性能的材料,其材质、结构形状以及结构尺寸直接决定了超材料的电磁特性.本文分析了超材料奇异的电磁特性和发展现状.     

电磁超材料及智能超材料隐身技术发展现状及趋势

从武器装备的实际电磁攻防需求出发，聚焦于超材料在电磁领域的应用，简单回顾了电磁超材料的发展历程和实用化进程，着重介绍了近年来最可能产生颠覆性技术的领域——智能可重复编程超材料及基于其的智能隐身系统。基于长期对电磁隐身、新型电磁器件的研究，结合实践经验，对目前超材料隐身技术成熟度进一步提高所面临的难点进行分析，并对未来的发展做出了建议和展望。     

人工电磁超材料的电磁波调控特性

人工电磁超材料具有自然界材料所不具备的电磁参数,并且拥有可设计性和可灵活调节性质,可实现对电磁波传播性能进行新的调控,是近年来的研究热点.本文介绍了一系列运用人工电磁超材料调控电磁波传播的功能器件,包括非对称电磁波传输器件、可调节电磁波吸波结构、电磁波极化调制器件,磁性光子晶体、磁性左手材料和基于超导薄膜的太赫兹人工电磁超材料,这些器件运用人工超材料的特殊物理特性和参数可设计性,具有全新的功能和优势,有效提高了对电磁波的调控能力.     

自由空间法测试超材料的电磁参数

随着近年来超材料技术的迅猛发展,对超材料有效电磁参数的测量精度也要求越来越高。研究了超材料的有效电磁参数的测试技术,提出了利用自由空间法来测试超材料的有效电磁参数。与其它测试方法相比,自由空间法是一种非接触和非破坏性的测试方法,对测试材料样品没有非常严格的形状和工艺要求,只需厚度均匀且具有一定大的测试面积,以避免边沿绕射。探讨了在参数反演过程中产生的多值问题和相位模糊问题,并通过理论分析给出了一种有效的解决力案。用自由空间法测量了超材料样品在(8 GHz-14 GHz)的有效电磁参数,并和波导法的测试结果进行了比较。结果表明自由空间法测试超材料的电磁参数是正确可靠的,具有实用价值。     

多层电磁超材料在太赫兹技术中的应用研究进展

基于电磁超材料的电磁谐振通过合理设计可以实现太赫兹波段的频率响应,为太赫兹波调控开辟了新的道路,特别是利用多层电磁超材料设计的太赫兹功能器件.本文综述了当前国内外基于多层电磁超材料在太赫兹波段技术的应用研究进展,分类介绍了其在太赫兹滤波器、吸收器、偏振器等方面的应用,最后对多层超材料在太赫兹技术应用的发展趋势作了探讨.     

宽频吸声兼容电磁吸波的多功能超材料设计

超材料具有传统材料所不具备的超常物理性质,对电磁场、声场等物理场可以实现自由调控。设计了一种由多尺寸的亥姆霍兹共振器和多尺寸的金属谐振结构组成的宽频吸声兼容电磁吸波的多功能超材料,实现了对声波和电磁波的宽频双吸收。仿真结果表明：文中提出的超材料在690~927 Hz范围内具有0.8以上的高吸声系数,在9.11~11.10 GHz范围内对微波具有0.8以上的吸收系数。所提出的多功能超材料对于声波及电磁波均具有宽频、高效的吸收作用,在噪声污染防治和电磁防护方面有潜在的应用价值。     

电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究进展

基于电磁超材料的太赫兹吸收器通过合理设计结构尺寸和材料参数能够实现近完美吸收,因而受到学术界的关注,近几年对太赫兹吸收器的研究发展很快.本文综述了基于电磁超材料的太赫兹吸收器的研究进展,分别从理论、结构和性能对太赫兹吸收器的研究进行了介绍,最后对太赫兹吸收器的未来发展和待解决的问题进行了探讨.     

电磁超介质吸波体的研究

超介质吸波体具有传统吸波材料所不具备的电磁特性,为设计新型电磁防护材料和目标隐身材料提供了一种新的途径.本文介绍了分析超介质吸波体吸波机理的理论方法：等效介质理论,阻抗匹配理论以及分层介质的多次干涉理论.同时,利用单元组合法设计了多频点的螺旋吸波体、单层、多层和加载集总电阻的宽频吸波体,并对其吸波机理进行了研究.     

系统频率电磁调谐的双层薄膜声学超材料

为了拓宽声学超材料对低频声波的隔声带宽,设计了1种系统频率电磁调谐的双层薄膜声学超材料,该超材料由双层硅橡胶薄膜、薄膜之间的羰基铁粉、附加铅质质量块、铝质框架和电磁场加载装置等组成.运用COMSOL Multiphysics 5.5仿真和试验等方法,对声学超材料的声学性能进行了研究.研究结果表明:该声学超材料在低频范围内可实现良好的隔声效果;通过输入不同电流改变磁场强度,可以实现声学超材料固有频率的定向调节;与被动声学超材料相比,主动声学超材料实现了声学超材料隔声性能的非接触主动调谐,拓宽了声学超材料的声波控制带宽;在此基础上,通过进一步探讨材料参数对声学超材料声学性能的影响,发现双层薄膜的厚度越厚,杨氏模量越大,声学超材料将获得更宽的隔声带宽.     

电磁波与材料相互作用探讨

 探讨了电磁波与材料相互作用,强调在现代科学研究中以Maxwell方程组为基础的电磁场理论的中心作用.以微波加热、超材料特性及超材料传感器为例,简要综述了国内外的研究现状,并介绍了云南大学信息学院在这方面的工作.     

超材料的新应用:调控Casimir力

 随着微机电系统（MEMS）的微型化,由Casimir吸引力导致的器件黏附失效极大影响了MEMS的应用,如何减小Casimir吸引力甚至将其转化为斥力成为该领域的研究热点。本文综述Casimir力的物理起源、理论计算方法、材料电磁参数的影响规律及电磁超材料在Casimir力调控方面的应用等研究进展。     

不规则多棱柱隐身罩材料参数的一般张量表达式

基于坐标变换理论推导了任意多棱柱隐身罩的隐身条件,并得到了相应隐身罩材料参数的张量表达式。根据导出的材料参数的张量表达式,通过全波仿真分别对三棱柱、四棱柱和六棱柱隐身罩进行了仿真验证,仿真结果证实了所得材料参数张量表达式的正确性;利用所推公式设计的隐身罩的确能够控制电磁波绕着内部被隐物体传播,并使波离开隐身罩时恢复成原来的传播方向,从而成功地将内部物体隐身。     

电磁超材料与增益材料研究现状与进展

电磁超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料,具有广阔的应用前景.目前,电磁超材料实际设计中出现的窄带宽和高损耗等问题,限制了其进一步的应用.对于电磁超材料中贵金属结构的损耗,通过引入增益材料可降低甚至完全补偿其损耗.该文首先回顾超材料的历史发展过程,介绍其国内外的研究现状;然后归纳超材料在发展过程中遇到的问题,着重介绍如何通过引入增益材料来弥补超材料中的金属损耗.     

2020年光学超材料热点回眸

光学超材料一直是超材料学科中的重要组成部分之一,是超材料在信息科学领域中应用的重要体现.2020年,光学超材料领域的研究涌现出了一大批非常优秀的科技成果.围绕非线性光学超材料、人工智能超材料与光学超表面等方面回顾了光学超材料在2020年的研究热点.     

Active terahertz metamaterial devices

The development of artificially structured electromagnetic materials, termed metamaterials, has led to the realization of phenomena that cannot be obtained with natural materials. This is especially important for the technologically relevant terahertz (1 THz = 10(12) Hz) frequency regime; many materials inherently do not respond to THz radiation, and the tools that are necessary to construct devices operating within this range-sources, lenses, switches, modulators and detectors-largely do not exist. Considerable efforts are underway to fill this 'THz gap' in view of the useful potential applications of THz radiation. Moderate progress has been made in THz generation and detection; THz quantum cascade lasers are a recent example. However, techniques to control and manipulate THz waves are lagging behind. Here we demonstrate an active metamaterial device capable of efficient real-time control and manipulation of THz radiation. The device consists of an array of gold electric resonator elements (the metamaterial) fabricated on a semiconductor substrate. The metamaterial array and substrate together effectively form a Schottky diode, which enables modulation of THz transmission by 50 per cent, an order of magnitude improvement over existing devices.     

Spatial separation of spectrum inside the tapered metamaterial optical waveguide

In this work,the optical metamaterials based on silver dendritic cells are prepared by electrochemical deposition,and its transmission and focusing behaviors are investigated.The experimental results show that the optical metamaterials reveal a multiple pass-band transmission spectrum and a prominent focusing effect at the wavelength corresponding to the maximum transmission coefficient.Two optical metamaterial samples are combined into a tapered optical waveguide,and the spectra of transmitted light at the surface of the tapered optical waveguide is measured by using the fiber spectrometer along the light propagation direction.The results demonstrate that each frequency component of the wave packet is stopped at a different waveguide thickness,leading to the spatial separation of its spectrum.The spatial separation of spectrum can be effectively tuned by adjusting the inclination of the tapered optical waveguide,which can be used for storing photons and slow-light research.     

Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index

Metamaterials are artificially engineered structures that have properties, such as a negative refractive index, not attainable with naturally occurring materials. Negative-index metamaterials (NIMs) were first demonstrated for microwave frequencies, but it has been challenging to design NIMs for optical frequencies and they have so far been limited to optically thin samples because of significant fabrication challenges and strong energy dissipation in metals. Such thin structures are analogous to a monolayer of atoms, making it difficult to assign bulk properties such as the index of refraction. Negative refraction of surface plasmons was recently demonstrated but was confined to a two-dimensional waveguide. Three-dimensional (3D) optical metamaterials have come into focus recently, including the realization of negative refraction by using layered semiconductor metamaterials and a 3D magnetic metamaterial in the infrared frequencies; however, neither of these had a negative index of refraction. Here we report a 3D optical metamaterial having negative refractive index with a very high figure of merit of 3.5 (that is, low loss). This metamaterial is made of cascaded 'fishnet' structures, with a negative index existing over a broad spectral range. Moreover, it can readily be probed from free space, making it functional for optical devices. We construct a prism made of this optical NIM to demonstrate negative refractive index at optical frequencies, resulting unambiguously from the negative phase evolution of the wave propagating inside the metamaterial. Bulk optical metamaterials open up prospects for studies of 3D optical effects and applications associated with NIMs and zero-index materials such as reversed Doppler effect, superlenses, optical tunnelling devices, compact resonators and highly directional sources.