Wetenschap
Realisatie van een ideale omnidirectionele onzichtbaarheidsmantel in de vrije ruimte
Een team onder leiding van prof. Dexin Ye en prof. Hongsheng Chen van de Zhejiang Universiteit, en prof. Yu Luo van de Nanyang Technologische Universiteit hebben onderzoek gedaan naar de praktische implementatie van optische apparaten met volledige parametertransformatie. Gebaseerd op de lineaire transformatie-optica en de constitutietheorie van omnidirectioneel gematchte transparante metamaterialen, ontwierp en implementeerde het onderzoeksteam een omnidirectionele onzichtbaarheidsmantel met volledige parameters die in staat is grootschalige objecten in de vrije ruimte te verbergen.
Dit werk is gepubliceerd in National Science Review getiteld "Full-parameter omnidirectionele transformatie optische apparaten", met Dr. Yuan Gao van de Zhejiang Universiteit als eerste auteur, Prof. Yu Luo, Prof. Hongsheng Chen en Prof. Dexin Ye als corresponderende auteurs.
In 2006 stelde prof. Pendry van het Imperial College London de transformatie-optica voor, die de correspondentie beschrijft tussen het voortplantingspad van elektromagnetische (EM) golven en de constitutieve parameters van materialen, waardoor een universele en krachtige methode wordt geboden om EM-golven te controleren.
Het afgelopen decennium is getuige geweest van de snelle ontwikkeling van transformatie-optica, waardoor verschillende nieuwe optische apparaten zoals onzichtbaarheidsmantels, elektromagnetische illusie-apparaten en concentrators zijn ontworpen. De constitutieve parameters van media voor transformatie-optica zijn echter anisotroop en over het algemeen inhomogeen of hebben singuliere waarden, waardoor ze moeilijk te implementeren zijn.
De omnidirectionele onzichtbaarheidsmantels die tot nu toe experimenteel zijn geïmplementeerd, hebben bijvoorbeeld altijd enkele vereenvoudigingen ondergaan wat betreft de materiaalparameters. De vereenvoudigde ontwerpen offeren de impedantie-aanpassing op en verslechteren zo de prestaties van de optische transformatie-apparaten.
Om deze problemen aan te pakken, ontwierp de onderzoeksgroep een 2D omnidirectionele planaire onzichtbaarheidsmantel met volledige parameters, bestaande uit slechts twee homogene materialen, gebaseerd op lineaire transformatie-optica. De constitutieve parameters van het eerste materiaal zijn anisotroop, met zowel nul- als extreme waarden, en de EM-golven die zich in de optische richting voortplanten hebben een oneindige fasesnelheid.
Dit materiaal wordt gebruikt om de EM-golf in staat te stellen een verhullingsgebied te omzeilen met omnidirectionele impedantie-aanpassing en nulfasevertraging. Het tweede materiaal bezit ook anisotrope constitutieve parameters om fasecompensatie te bereiken met omnidirectionele impedantie-aanpassing, en de EM-golven die zich in de optische richting voortplanten hebben een subluminale fasesnelheid.
Bij de experimentele verificatie hebben onderzoekers deze twee materialen geïmplementeerd met constitutieve parameters met volledige parameters voor de TM-gepolariseerde golf.
De eerste werd gerealiseerd met behulp van metalen patch-arrays met een subgolflengte met Fabry-Pérot-resonantie, terwijl de tweede werd verkregen met de structuren die zijn samengesteld uit traditionele I-vormige elektrische resonatoren en split-ringresonatoren.
Ten slotte maten de onderzoekers de magnetische velden rond de omnidirectionele mantel met volledige parameters, bestaande uit de vorige twee materialen, onder de TM-gepolariseerde golfinval onder verschillende hoeken, wat uitstekende onzichtbaarheidsprestaties aantoont.
Deze studie demonstreerde de eerste omnidirectionele onzichtbaarheidsmantel met volledige parameters in de vrije ruimte, die een grootschalig object kan verbergen voor willekeurige invallende verlichting. De geïmplementeerde mantel kan onmiddellijk worden gebruikt om de verstrooiende dwarsdoorsnede van het doel te onderdrukken bij radarcommunicatie en bistatische detectie.
De aanpak die in dit werk wordt gepresenteerd heeft ook verstrekkende gevolgen voor de praktische implementaties van andere optische apparaten met volledige parametertransformatie.