بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی و شبیه سازی پوشش متامتریال نامرئی ساز در فرکانس های مرئی
چکیده
ساختارهای مصنوعی متامتریال، انعطاف پذیری فوق العاده ای در دستکاری امواج الکترو مغناطیسی و ایجاد کاربردهای جدید از جمله پوشش نا مرئی ساز دارند. در این مقاله یک ساختار استوانه ای متامتریال بر اساس اپتیک انتقالی ارائه شده است که مستقل از نوع ماده جسم نامرئی شونده می باشد. جهت بررسی ساختار ارائه شده معادلات انتقالی در نواحی مختلف استخراج شده و تمام نتایج با شبیه ساز المان محدود تمام موج و با استفاده از بسته تجاری COMSOL MULTIPHYSICS انجام گرفته است. با استفاده از این ساختار به نامرئی سازی در طول موج مرئی 632.8nm دست یافته ایم.
واژه های کلیدی اپتیک انتقالی، روش المان محدود، متامتریال ، نامرئی سازی .
-1 مقدمه
مواد طبیعـی از اتـم هـا و مولکـولهـای منفـردی بـه فاصـله چنـد آنگستروم از هم تشکیل شده اند. به هنگام تـابش نـور مرئـی بـه مـواد طبیعی، از آنجا که طول موج نور مرئی چندین برابر اتمها و مولکولهای تشکیل دهنده ماده است، لذا رفتارهایی چـون انعکاس،جـذب و انتقـال اجتناب نا پذیر می باشد . یک روش نوین، بـرای تحقـق خاصـیت هـای الکترومغناطیسی جدید، ایجـاد سـاختارهای مصـنوعی مرکـب از مـواد موجود در طبیعت و با ابعاد زیر طول موج می باشد، این مواد متامتریال یا همان متامواد نام دارند. پیشوند "متا" ατεμ) در یونـانی) بـه معنـی "فراتر" می باشد، و نام متا مواد دلالت بر سیستم هایی دارد که فراتر از مواد معمولی هستند. در واقع متامواد کلاس جدیدی از مواد هستند که دارای خواص الکترومغناطیسی ذاتی می باشند که بـه طـور معمـول در طبیعت وجود ندارد.
نامرئی ساز الکترومغناطیسی بر پایه اپتیک انتقالی فرازی جدید بر کاربردهای بالقوه متامتریال گشوده است و برای دهه های مختلف یکی از مهمترین موضوعات مورد علاقه بسیاری از دانشمندان و مهندسین بوده است. بر خلاف دیگر روش های نامرئی سازی که محدود به اشیائی با اندازه زیر طول موج هستند،روش اپتیک انتقالی امکان نامرئی کردن ادوات ماکروسکوپیک را می دهد. بعلاوه طرح ارائه شده در این روش مستقل از نوع ماده جسم نامرئی شونده است.
پندری و همکارانش به ارئه طرحی بر اساس انتقال مختصات جهت ایجاد پوشش نامرئی ساز پرداختند[1] .در این روش میدان های مغناطیسی براساس معادلات انتقال مختصات2]و[3 کنترل شده و به داخل یک پوسته استوانه ای فشرده می شوند. در واقع امواج الکترو مغناطیسی طوری جسم را دور می زند که هیچ برخوردی با آن نداشته باشد. گزارشی دیگر از نا مرئی ساز ها بر اساس حلقه ها
نا مرئی ساز دو بعدی استوانه ای مبتنی بر پارامتر های بدست آمده توسط اپتیک انتقالی و در فرکانس 2 گیگا هرتز، در حالت تابش TE ارائه کردند. در این مقاله به بررسی ساختار متامتریال استوانه ای دو بعدی با استفاده از مدول RF نرم افزار کامسول خواهیم پرداخت.
-2 ساختار استوانه ای دو بعدی
یک ناحیه استوانه ای به حجم r<b را در نظر بگیرید با استفاده از انتقال مختصات این ناحیه به داخل پوسته متحد المرکزی از جنس متامتریال، به شعاع a<r'<b منتقل می شود.
با قرار دادن r=0 در معادله فوق r'=a و با قرار دادن r=b ، r'=b می شود. در واقع:
1-2 معادلات موج حاکم بر ساختار
جهت نامرئی کردن یک ناحیه استوانه ای مرکزی به شعاع a توسط استوانه متحد المرکز دیگری به شعاع b باید روابط گذر دهی الکتریکی و نفوذ پذیری مغناطیسی 6]و[8 نسبی به صورت زیر تعریف شوند.
خواص ماده به عنوان تابعی از r در مختصات انتقالی در شکل((1 رسم شده است.
از آنجا که شبیه ساز کامسول7]و[8 نیاز به حل معادلات در مختصات کارتزین دارد، روابط زیر را با تبدیل مختصات استوانه ای به کارتزین بدست می آوریم.
لذا معادلات گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی به شکل یک تانسور 3×3 در می آید.
لذا جهت تحلیل پوشش استوانه ای نامرئی ساز((r<a ، با اعمال تانسورهای c و c به پوسته استوانه ای و I به سایر نواحی به حل معادلات ماکسول در صفحه x-y می پردازیم.
شکل (2) ناحیه محاسباتی مد نظر ما در این مقاله را نشان می دهد. ساختار مد نظر ما از دو استوانه متحدالمرکز در 0)و( 0 و به شعاع های داخلی a 0.65 m و خارجی b 2 m تشکیل شده است. شبیه سازی ها با استفاده از مدول RF بسته تجاریOMSOL MULTIPHYSICS انجام می گیرد.
شکل (2) :ناحیه محاسباتی مورد استفاده در این مقاله
شرایط لایه کاملا جاذب )PML) به دو طرف ناحیه محاسباتی اعمال شده و شرایط هادی مغناطیسی کامل((PMC همانطور که در شکل (2) نشان داده شده است به دو مرز بالایی و پایینی ناحیه محاسباتی اعمال شده است. کل ساختار در طول موج 632.8nm (طول موج متناظر با لیزر هلیوم-نئون) تحت تابش نور مرئی پلاریزه
474 THz قرار می گیرد. نتایج شبیه سازی حاصل از نرم افزار در شکل (3) نمایان است.
