CN106199817B - 一种光学波导隐身器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学波导隐身器件，包括宽度为w、介质层为空气的平行板波导，所述平行板波导内部的两侧分别设有介电常数相同的各向同性的电介质材料，所述电介质材料关于所述平行板波导的对称面对称，以电磁波传播方向为Z轴，以垂直于平形板方向为X轴，所述电介质材料在XZ方向的截面的厚度逐渐变大再逐渐变小，所述电介质材料（1）的最大厚度dmax＜，所述电介质材料的长度L≥4dmax。本发明在波导中加入电介质材料，来诱导电磁波绕过物体从而实现波导隐身，本发明的光学波导隐身器件在光学通讯、集成器件、光学隐身等领域具有潜在的应用前景，且具有宽频，不依赖电磁波极化偏振，结构简单等优点。

Description

一种光学波导隐身器件
技术领域
本发明涉及一种光学波导隐身器件，属于光学隐身技术领域。
背景技术
波导是光学领域的一个很基础的研究课题，其在微波天线，集成电路，无线通信等领域有着广泛的应用。近年来，人们将一些新奇的热点课题引入到传统的波导中，发现许多不可思议的光学现象。比如，人们发现在波导中引入渐变折射率材料，可以实现光学二极管，模式转化等效应，这也激发了人们探索新型波导器件的兴趣。
光学隐身作为变换光学最重要的例子，近来已成为了一个热点问题，并在诸多领域吸引了巨大的关注。在2006年，第一个弱化的变换光学隐身衣在微波段实现，但是所需的各向异性且非均匀的材料是很复杂的，并且只能在很窄的波段下工作。保角变换是特殊的变换光学，其设计出的隐身衣只需要各向同性的非均匀材料，但是单频的弱点依旧没有解决，且现有的隐身衣往往都是需要复杂的参数，需要共振结构来实现，而且工作频率比较窄。
有鉴于此，开发一种新的光学隐身器件，解决现有技术设计复杂、适用频率窄的缺陷，显然是有必要的。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种结构简单、制备成本低且适用频率宽的光学波导隐身器件。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种光学波导隐身器件，包括宽度为w、介质层为空气的平行板波导，所述平行板波导内部的两侧分别设有介电常数相同的各向同性的电介质材料，所述电介质材料关于所述平行板波导的对称面对称，以电磁波传播方向为Z轴，以垂直于平形板方向为X轴，所述电介质材料在XZ方向的截面的厚度逐渐变大再逐渐变小，所述电介质材料的最大厚度所述电介质材料的长度L≥4dmax。
优选地，所述电介质材料的截面形状呈拱形或三角形。
进一步技术方案中，所述电介质材料的截面形状呈等腰三角形。
优选地，所述电介质材料的最大厚度为
本发明还提供了一种光学波导隐身器件，包括内径为w的中空圆柱波导，所述中空圆柱波导内部设有各向同性的电介质材料，所述电介质材料在经过中心轴的截面关于波导的中心轴对称且所述电介质材料的厚度逐渐变大再逐渐变小，所述电介质材料的最大厚度所述电介质材料的长度L≥4dmax。
优选地，所述电介质材料(1)的截面形状呈拱形或三角形。
进一步技术方案中，所述电介质材料(1)的截面形状呈等腰三角形。
优选地，所述电介质材料(1)的最大厚度
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明在波导中加入由单一电介质材料构成的渐变结构，来诱导电磁波绕过物体从而实现波导隐身，本发明的光学波导隐身器件在光学通讯、集成器件、光学隐身等领域具有潜在的应用前景，且具有宽频，不依赖电磁波极化偏振，结构简单等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一的光学波导隐身器件的结构示意图。
图2是在横电(TE)模式下平行板波导、有电介质材料的平行板波导和有电介质材料且有障碍物的平行板波导的传播场图以及对应的透射曲线图。
图3是在横磁(TM)模式下平行板波导、有电介质材料的平行板波导和有电介质材料且有障碍物的平行板波导的传播场图以及对应的透射曲线图。
图4是本发明实施例一中电介质材料在不同厚度下的横电模式的色散关系图。
图5是本发明实施例二的光学波导隐身器件的侧视图。
图6是本发明实施例二的光学波导隐身器件的剖面图。
图7是在横电(TE10)模式下中空圆柱波导、有障碍物的中空圆柱波导和有电介质材料且有障碍物的中空圆柱波导的传播场图以及对应的透射曲线图。
其中：1、电介质材料；2、平行板波导；3、中空圆柱波导。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种光学波导隐身器件，包括宽度为w、介质层为空气的平行板波导2，平行板波导2内部的两侧分别设有电介质常数相同的各向同性的电介质材料1，电介质材料1关于平行板波导的对称面对称，所述电介质材料1的截面为等腰三角形的渐变结构，图中椭圆为金属障碍物，也可以是矩形或其他形状金属障碍物。
平行板波导1由金属板构成，其可当做完美电导体,截面呈等腰三角形结构的电介质材料：介电常数为ε＝12.5，磁导率μ＝1，等腰三角形结构的最大厚度dmax＝4mm，长度L＝20mm，平行板波导宽度w＝24mm。在平行板波导中放置的金属障碍物的长和宽分别为20mm和8mm。
参见图2所示，为在横电模式下平行板波导、有电介质材料的平行板波导和有电介质材料且有障碍物的平行板波导的传播场图以及对应的透射曲线图。本发明利用数值模拟软件(COMSOL MYLTIPHYSICS)来验证二维平行板波导隐身的效果。首先，先验证平行板波导的横电(TE)模式(电场沿着y方向)在工作波长都是30mm时隐身器件的结果。在图2(a)给出了横电(TE)模式电磁波在空波导中传输结果，从中可以发现电磁波完整地在波导中传播。当在空波导中加入所设计的渐变电介质结构时，从对应的模拟结构图2(b)中，可以看到：随着渐变结构的厚度逐渐变大，入射的电磁波会被逐渐耦合到渐变电介质结构上去，并以一种束缚在电介质中的“表面态”形式在波导中传播；然后随着渐变结构的厚度逐渐变小，这种“表面态”形式的电磁波逐渐转化为传输的电磁波，并重新在波导中传播。为了验证图2(b)中的平行板波导的隐身效果，在波导中安放了一个矩形的金属障碍物，从图2(c)中可以发现电磁波成功地以一种“表面态”形式绕过了金属障碍物，而不引起波导中电磁波反射，实现波导中的电磁波隐身。为了验证本发明中平行板波导器件的宽频特点，分别测试了空波导中(圆圈)、带有金属障碍物的波导中(实线)、带有渐变结构的波导中(点线)以及同时带有渐变结构和金属障碍物的波导中(五角星)的透射率，见图2(d)。明显可以发现，由于金属障碍物将大部分电磁波反射回去，导致了在带有金属障碍物的波导中的透射率(实线)非常之低。然而当加入渐变结构后，发现同时带有渐变结构和金属障碍物的波导中的透射率(五角星)在很宽的波长范围下(28mm至40mm)都显著提高，实现了宽频的电磁波隐身。
参见图3所示，为在横磁模式下平行板波导、有电介质材料的平行板波导和有电介质材料且有障碍物的平行板波导的传播场图以及对应的透射曲线图。验证平行板波导的横磁(TM)模式(磁场沿着y方向)在工作波长都是30mm隐身器件的结果。在图3(a)中，给出横磁模式在电磁波空波导中传输结果，从中可以发现电磁波完整地在波导中传播。当在空波导中加入所设计的渐变电介质结构时，从对应的模拟结构图3(b)中，同样可以看到：随着渐变结构的厚度逐渐变大，入射的横磁模式电磁波也会被逐渐耦合到渐变电介质结构上去，并以一种束缚在电介质中的“表面态”形式在波导中传播；然后随着渐变结构的厚度逐渐变小，这种“表面态”形式的电磁波逐渐转化为传输的电磁波。为了验证图3(b)中的平行板波导的隐身效果，在波导中安放了一个矩形的金属障碍物,参见图3(c),可以发现电磁波成功地以一种“表面态”形式绕过了金属障碍物，而不引起波导中电磁波反射，实现波导中的电磁波隐身。同样也检测了横磁模式下隐身器件的宽频效果(见图3(d)),发现同时带有渐变结构和金属障碍物的波导中的透射率(五角星)在很宽的波长范围下(24mm至30mm)都很高，这说明了该模式下的隐身效果也很好，也可以在宽频(10GHz-12.5GHz)工作。
基于图2与图3，本实施例从数值模拟上验证了本发明所提出的平行板波导隐身器件的性能，可以发现该隐身器件可以在宽频工作，并且不受电磁波偏振的限制。
参见图4所示，电介质材料在不同厚度下的横电模式色散关系图(波导中本征传播波矢与频率(波长)之间的关系)。其中，在电介质材料的底边z′处对应的横电模式的波导本征模式色散关系为：
当β≤k0，(奇模)，(偶模)，其中 a(z′)＝w-d(z′)；当β≥k0，(奇模)，(偶模)，其中以及β是沿着电磁波传播方向(Z方向)的传播波矢，kx是在空气中垂直于传播方向的波矢(X方向)，kdx是在电介质中垂直于传播方向的波矢(X方向)，k0是空气中的波矢，d(z′)是电介质材料在的z′处厚度，w是波导的宽度。
通过图4可以看出，随着厚度增大，波导中的本征传播波矢β逐渐变大(三角形)，并逐渐大于空气中的最大传播波矢传播k0(圆点)后，这会使得电磁波逐渐耦合到渐变结构上去，并出现这种束缚在电介质中的“表面态”形式的电磁波。β越大，电磁波越紧紧束缚在电介质中。
实施例二：参见图5、图6，一种光学波导隐身器件，包括内径为w的中空圆柱波导3，所述中空圆柱波导3内部设有各向同性的电介质材料1，所述电介质材料1在经过中心轴的截面关于波导的中心轴相互对称，即两个关于中心轴对称的两个等腰三角形。
其中，在电介质材料1的底边z′处对应的横电模式的波导本征模式色散关系为：
当β≤K0，(奇模)，(偶模)，其中 a(z′)＝w-d(z′)；当β≥k0，(奇模)，(偶模)，其中以及β是沿着电磁波传播方向的传播波矢(Z方向)，kx是在空气中垂直于传播方向的波矢，kdx是在电介质中垂直于传播方向的波矢，k0是空气中的波矢，d(z′)是电介质材料在的z′处厚度，w是波导的内径。
中空圆柱波导中电介质材料的截面呈两个相互对称的等腰三角形，并沿旋转轴对称，电介质材料：介电常数为ε＝12.5，磁导率μ＝1，等腰三角形的最大厚度d＝4mm，长度L＝20mm，中空圆柱波导的内径w＝24mm。在中空圆柱波导中放置的圆柱金属障碍物的长度和内径分别为20mm和8mm，对应的工作波长均为30mm。
参见图7所示，为本实施例在横电(TE10)模式下中空圆柱波导、有障碍物的中空圆柱波导和有电介质材料且有障碍物的中空圆柱波导的传播场图以及对应的透射曲线图，从图7(a)、图7(b)中可以发现：在空波导中加入金属障碍物后，几乎所有的电磁波都被反射回去，因此透射率几乎为零。参见图7(c),然后在加入所设计的电介质渐变结构后，电磁波可以以“表面态”的束缚波形式在电介质材料中传播，并完美地绕过金属障碍物，从而实现中空圆柱波导的隐身。为了验证本发明中中空圆柱波导器件的宽频特点，分别测试了空波导、带有金属障碍物的波导、带有渐变结构的波导以及同时带有渐变结构和金属障碍物的波导中的透射率，见图7(d)，明显可以发现，由于金属障碍物将大部分电磁波反射回去，导致了在带有金属障碍物的波导中的透射率非常之低。然后当加入渐变结构后，即加入电介质材料，可以发现同时带有渐变结构和金属障碍物的波导中的透射率在很宽的波长范围下(30mm至39mm)都显著提高，实现了宽频的电磁波隐身。

Claims (8)

1.一种光学波导隐身器件，包括宽度为w、介质层为空气的平行板波导(2)，其特征在于：所述平行板波导(2)内部的两侧分别设有介电常数相同的各向同性的电介质材料(1)，所述电介质材料(1)关于所述平行板波导(2)的对称面对称，以电磁波传播方向为Z轴，以垂直于平形板方向为X轴，所述电介质材料(1)在XZ方向的截面的厚度逐渐变大再逐渐变小，所述电介质材料(1)的最大厚度所述电介质材料(1)的长度L≥4dmax。
2.根据权利要求1所述的光学波导隐身器件，其特征在于：所述电介质材料(1)的截面形状呈拱形或三角形。
3.根据权利要求2所述的光学波导隐身器件，其特征在于：所述电介质材料(1)的截面形状呈等腰三角形。
4.根据权利要求1所述的光学波导隐身器件，其特征在于：所述电介质材料(1)的最大厚度为
5.一种光学波导隐身器件，其特征在于：包括内径为w的中空圆柱波导(3)，所述中空圆柱波导(3)内部设有各向同性的电介质材料(1)，所述电介质材料(1)在经过中心轴的截面关于波导的中心轴对称且所述电介质材料(1)的厚度逐渐变大再逐渐变小，所述电介质材料(1)的最大厚度所述电介质材料(1)的长度L≥4dmax。
6.根据权利要求5所述的光学波导隐身器件，其特征在于：所述电介质材料(1)的截面形状呈拱形或三角形。
7.根据权利要求6所述的光学波导隐身器件，其特征在于：所述电介质材料(1)的截面形状呈等腰三角形。
8.根据权利要求5所述的光学波导隐身器件，其特征在于：所述电介质材料(1)的最大厚度
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