崔铁军院士 | 电磁超材料——从等效媒质到现场可编程系统

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中国科学院院士

崔铁军

电磁超材料是由亚波长单元周期或非周期地排列而组成的人工电磁结构, 可通过设计结构单元及其排布自由地控制电磁波, 是信息领域的研究热点之一. 《中国科学：信息科学》2020年第10期发表了崔铁军院士的评述“电磁超材料——从等效媒质到现场可编程系统”.

文章详细介绍了东南大学毫米波国家重点实验室从事电磁超材料研究的历史和最新进展. 

  第1阶段发展了等效媒质超材料, 提出了超材料结构的等效媒质一般性理论, 实验验证了宽带地面隐身衣、电磁黑洞、电磁幻觉及各向异性零折射率等奇特物理现象及功能器件, 并在超材料变换光学透镜、平板透镜天线, 以及宽带电磁隐身表面等方面获得了应用. 

图1. 等效媒质超材料及其新物理现象实验验证. (a)和(b)宽带和低损耗的二维地面隐身衣[34]; (c)∼(e)二维地面隐身衣隐身效果的实验验证[34]@Copyright 2009 The American Association for the Advancement of Science; (f)宽带和低损耗的三维地面隐身衣[37]@Copyright 2010 Springer Nature; (g)由电阻网络构成的直流电隐身衣[39]@Copyright 2012 American Physical Society; (h)和(i)电磁黑洞试验样品及其对电磁波的吸收过程 [42] @Copyright 2010 IOP Publishing and Deutsche Physikalische Gesellschaft

  第2阶段开拓了基于人工表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)传输线的微波领域新方向, 提出一种超薄、低损耗、条带式的SPP传输线, 能在共形曲面上传输无畸变的SPP波; 基于此, 研制了一系列微波SPP无源器件、SPP放大器和倍频器, 以及SPP天线, 构建了首个全SPP无线通信射频收发系统, 在间距为深亚波长的两个通道上实现了两个独立视频无干扰的超视距传输. 

图2. 超薄开槽金属条带微波SPP传输线及其色散特性和传输特性[77]. (a)不同厚度开槽金属条带的色散特性; (b) 不同槽深的四条超薄、柔性微波SPP传输线照片; (c)∼(e)超薄柔性微波SPP传输线发生弯折时的近场特性及传输模式测量结果; (f)∼(h)微波SPP功分器照片及其近场的仿真与测试结果比较.

  第3阶段创建了信息超材料新体系, 提出用数字编码表征超材料的新思想, 通过控制不同的数字编码序列实时地调控电磁波, 实现了超材料的现场可编程功能; 提出在信息超材料的物理平台上进行信息熵操作及相关的数字卷积定理和加法定理, 在物理空间上构筑起数字空间, 实现了对电磁波和数字信息的同时调控; 基于此研制了新架构的微波成像系统、无线通信系统和智能感知系统.

图3. 数字编码超材料单元结构及其对电磁波的调控. (a)数字编码超材料、单元结构及现场可编程超材料[112]; (b)数字编码超材料单元结构在二极管开和关的状态下相位响应曲线[112]; (c)不同编码情况下数字编码超材料对电磁波的调控[112]@Copyright 2014 Springer Nature; (d)由闵科夫斯基分形结构所实现的太赫兹数字编码超材料[114]@Copyright 2015 Springer Nature; (e)各向异性数字编码超材料基本单元及其对不同极化入射波的调控[115]@Copyright 2016 Springer Nature

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电磁超材料——从等效媒质到现场可编程系统

崔铁军

中国科学: 信息科学, 2020, 50(10): 1427-1461

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崔铁军, 教授、博士生导师, 现为东南大学电磁空间科学与技术研究院院长, 2019年被遴选为中国科学院院士.

崔铁军教授出版英文专著两部, 在国内外知名刊物发表论文400余篇. 研究成果多次被国内外期刊作为“研究亮点”报道,入选2010年中国科学十大进展、2016年美国光学学会30项重要成果、2016年自然科学基金基础研究十大进展、2016年中国光学重要成果等, 获2011年教育部自然科学一等奖、2014年国家自然科学二等奖、2016年军队科学技术进步一等奖、以及2018年国家自然科学二等奖.

崔铁军教授长期从事电磁超材料和计算电磁学的研究工作, 做出了系统性贡献. 在超材料方面, 提出从信息科学角度研究超材料的思想, 提出数字编码和现场可编程超材料及其控制电磁波的新方法, 建立了信息超材料新体系, 实现了对电磁波和数字信息的实时操控, 使单一超材料可实时切换成很多完全不同的功能, 开辟了超材料新方向; 在传统超材料领域, 建立了超材料通用的等效媒质模型, 实现了宽带、低损耗超材料的快速准确设计, 实验验证了电磁黑洞、宽带隐身、电磁幻觉等新物理现象; 率先从微波传输线角度研究人工表面等离激元(SPP) 超材料, 开拓了基于SPP 传输线的微波领域新方向; 突破了超材料在工程应用中的一些瓶颈问题, 并应用于航天、航空、电子、船舶等工业部门. 在计算电磁学方面, 提出了电磁波与复杂目标及环境相互作用的一系列高效算法, 可快速准确地预估真实环境下复杂目标的电磁散射特性; 开发了具有自主知识产权的系列自主可控专用电磁仿真软件, 可对“平台级”目标(如飞行器、大型车辆和舰船等) 和数十公里“战场级”地海环境进行快速电磁建模, 在航天、航空、电子、船舶等工业部门获得大量应用, 取得了显著的经济效益与社会效益.

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