[論文レビュー] Wave and ray analysis of a type of cloak exhibiting magnified and shifted scattering effect

Yu Luo, Jingjing Zhang+4 more|ArXiv.org|Apr 9, 2009

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、幾何光学的レイ追跡では見えないように見えるが、平面波照射下では拡大されずずれた散乱を生じる、新しい等方的メタマテリアルクローグの研究を行っている。共振エネルギー結合のためである。ガウスビームを用いた励起により、回折エネルギーが折りたたまれた領域に進入し、物体の像と同一の散乱パターンを形成することを示し、変換光学的クローグに隠れた共鳴メカニズムを明らかにした。

ABSTRACT

Ray-tracing exercise and full-wave analysis were performed to validate the performance of a new type of cloak composed of isotropic metamaterials. It is shown that objects inside the folded region of this cloak appear invisible to the incoming light from a ray tracing exercise, but exhibit magnified and shifted scattering under a plane wave illumination from a full wave analysis. Gaussian beams are introduced to resolve this interesting paradox resulted from these two methods. We show that at the time-harmonic state, small energy can be diffracted into the folded region and contribute to the resonant state even when the Gaussian beam is steered away from the cloak with an object inside. A scattering pattern identical to that scattered from the image of the object will be formed, which agrees well with the phenomenon in the plane wave incidence case.

研究の動機と目的

• 幾何光学的レイ追跡と全波動シミュレーションの間に生じる不一致を、新しい等方的メタマテリアルクローグにおいて分析すること。
• レイ追跡では見えないが、平面波照射下では拡大されずずれた散乱を示すというパラドックスを解消すること。
• この挙動の背後にある物理的メカニズム、特に共鳴エネルギー結合の役割を理解すること。
• ガウスビームが変換光学的クローグにおいて波動光学とレイ光学の予測を一致させることを示すこと。
• 全波動およびレイ追跡シミュレーションを含む解析的および数値的手法を用いて、クローグの性能を検証すること。

提案手法

• 幾何光学的視点からクローグの見かけ上の非可視性を評価するため、レイ追跡シミュレーションを実施した。
• 有限要素法を用いて全波動電磁界解析を実施し、平面波照射および散乱パターンをモデル化した。
• 時間定常応答を調べ、折りたたまれた領域へのエネルギー結合を分析するために、ガウスビームを励起源とした。
• クローグの折りたたまれた領域内での共鳴状態を分析し、オフセットビームですら共鳴モードを励起できることを示した。
• ガウスビーム励起による散乱パターンと平面波入射時のものを比較し、像に基づく散乱と整合していることを確認した。
• 変換光学の原則を用いて、折りたたみ構造を持つ等方的メタマテリアルクローグを設計した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜレイ追跡シミュレーションではクローグが非可視に見える一方で、全波動解析では拡大されずずれた散乱が生じるのか？
• RQ2 入射ビームがその領域からずれていても、なぜエネルギーがクローグの折りたたまれた領域に結合できるのか？
• RQ3 ガウスビームは、このクローグ系において、レイ光学と波動光学の予測が食い違うのをどのように是正するのか？
• RQ4 折りたたまれた領域内での共鳴状態が、観測された散乱パターンにどの程度寄与しているのか？
• RQ5 ガウスビーム励起による散乱パターンは、平面波の場合に予測された物体の像と同一であるか？

主な発見

• レイ追跡では、レイが折りたたまれた領域を通過する際に相互作用を示さないため、非可視性が予測される。
• 全波動解析では、折りたたまれた領域への共鳴エネルギー結合のため、拡大されずずれた散乱が生じる。
• ガウスビームがクローグからずれていても、わずかだが顕著なエネルギーが回折により折りたたまれた領域に進入し、共鳴状態が励起される。
• ガウスビーム励起による散乱パターンは、物体の像のものと一致しており、平面波結果と整合していることが確認された。
• レイ光学と波動光学の予測の間のパラドックスは、幾何光学には存在しない共鳴結合の存在によって解消された。
• 本研究では、折りたたみ構造を持つ変換光学的クローグが共鳴モードを支持でき、それにより見かけの非可視性にもかかわらず観測可能な散乱を引き起こす可能性があることが確認された。