自21世纪以来，新型人工电磁媒质（Metamaterial）因具有独特的电磁性质而受到科研工作者的青睐，是物理学、电磁学、光学、材料学等学科的研究热点。而变换光学提供了应用人工电磁媒质调控电磁波、实现新颖电磁器件的有力工具，近10年来得到了充分发展。本书共包含12章，系统地论述了新型人工电磁媒质的概念、发展历史、变换光学原理及其在电磁波调控中的应用。首先讨论了变换光学在隐身衣设计与优化、新型电磁器件
（如电磁能量集中器、弯曲导波结构、高定向性天线、幻觉光学器件等）的构建与实现；然后研究了准保角变换技术及其在设计隐身地毯、具有平坦聚焦面变形龙伯透镜，以及基于人工电磁表面透镜等方面的应用；最后介绍了变换光学在高分辨率成像透镜设计、纳米光子学、表面等离极化激元调控、时空隐身衣等方面的应用。本书可帮助读者系统地掌握变换光学原理，并应用该原理来设计新型电磁器件。内容翔实，实例丰富，可以用作电子信息类和电子科学与技术类专业高年级本科生及研究生的课本或课外读物，也可供相关技术人员阅读。Since the beginning of this century，metamaterials have attracted much attention from scientists and engineers due to their unique electromagnetic properties，and have been hot topics in physics，electromagnetics，optics，and material science，etc. Transformation optics provides a method to apply metamaterials to control electromagnetic waves and a powerful tool to realize novel functional devices，which has been sufficiently developed in the past 10 years.This book includes 12 chapters，in which we systematically discuss the concepts and development history of metamaterials，the principle of transformation optics and the applications in controlling electromagnetic waves. First，we investigate the applications of the transformation optics theory in designs and optimizations of invisibility cloaks and in construction of new electromagnetic devices，including electromagnetic concentrators，bending waveguide structures，high-directivity antennas，and optical illusion devices，etc. Then，we introduce the technologies of quasi-conformal mapping to design carpet cloaks，flattened transformed Luneberg lenses，and metasurface lenses. Finally，we study the applications of transformation optics in high-resolution imaging，nano photonics，surface plasmon polaritons，and space-time cloak.From this book，the readers can systematically learn the theory of transformation optics，and apply the theory to design new electromagnetic devices. The book can be used as a text book or extracurricular reading of senior undergraduate and graduate students from information/electronic science and technology. It can also be used for other relevant researchers and engineers.
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第1章 引论 181.1 新型人工电磁媒质的概念 18
1.2 新型人工电磁媒质的发展历史 20
1.3 变换光学理论 221.3.1 变换光学产生的背景 22
1.3.2 变换光学基本原理 23
1.3.3 变换光学器件 25
参考文献 29
第2章 任意形状的隐身衣设计和研究 322.1 椭圆柱形隐身衣的设计和分析 322.1.1 椭圆柱形隐身衣 32
2.1.2 全波数值仿真 35
2.2 等厚度的多边形隐身衣的设计和分析 372.2.1 任意多边形的等厚度隐身衣的设计 37
2.2.2 全波数值仿真验证 40
2.3 任意形状的隐身衣分析 422.3.1 NURBS曲线介绍 42
2.3.2 理论设计 43
2.3.3 数值模拟仿真 45
参考文献 49
第3章 参数无奇异性的隐身衣设计和研究 503.1 参数无奇异性的椭圆形隐身衣 503.1.1 参数无奇异性隐身衣的概念 50
3.1.2 参数无奇异性的近似圆柱形隐身衣 53
3.2 线变换隐身衣的进一步讨论 553.2.1 线变换隐身衣的本构参数 56
3.2.2 数值仿真验证 58
3.3 参数无奇异性的多边形隐身衣：函数修正法 61
3.4 参数无奇异性隐身衣一般设计方法：构造三维光学变换 63
3.5 基于互补媒质的隐身方案介绍 65
参考文献 68
第4章 任意形状的电磁波集中器的设计和研究 704.1 圆柱形电磁波集中器介绍 70
4.2 任意形状的电磁波集中器设计 72
参考文献 78
第5章 基于变换光学理论的高定向性天线设计 805.1 变换光学实现柱面波转平面波 80
5.2 基于分层近似变换光学的高定向性透镜天线设计 84
参考文献 89
第6章 任意弯曲导波器件研究 906.1 人工电磁媒质引导电磁波沿任意弯曲角度传播 906.1.1 理论设计 90
6.1.2 数值模拟 92
6.2 人工电磁媒质引导电磁波沿任意路径传播 946.2.1 理论设计 95
6.2.2 数值模拟 95
参考文献 97
第7章 幻觉光学器件的研究和设计 987.1 单目标虚拟变多目标器件 987.1.1 理论设计 99
7.1.2 数值模拟验证 100
7.2 虚拟位移器件 1037.2.1 理论设计 104
7.2.2 数值模拟验证 105
7.3 虚拟金属变介质变换 1077.3.1 理论设计 108
7.3.2 数值模拟验证 109
参考文献 111
第8章 幻觉光学器件的实验研究 1138.1 等效媒质参数提取 113
8.2 常用单元结构及其等效电磁参数 114
8.3 二维场测试平台简介 116
8.4 电磁目标的虚拟变小实验验证 1188.4.1 理论设计 119
8.4.2 参数简化 121
8.4.3 样品制备 121
8.4.4 实验验证 123
8.4.5 圆形物体的仿真和测试结果 124
8.5 金属目标虚拟变成介质目标实验研究 1268.5.1 原理简介 127
8.5.2 参数简化 128
8.5.3 样品制备 129
8.5.4 实验结果 130
8.6 复杂幻觉光学器件 1318.6.1 概念和理论设计 132
8.6.2 器件制备 133
8.6.3 数值仿真和实验结果 134
8.6.4 其他类似幻觉光学器件 136
参考文献 138
第9章 准保角变换 1409.1 准保角变换理论 140
9.2 隐身地毯的实验验证 142
9.3 变形龙伯透镜 146
9.4 平面变形龙伯透镜 150
参考文献 153
第10章 变换静电学 15510.1 直流隐身衣 155
10.2 超薄直流隐身衣 160
10.3 局部隐身衣 163
10.4 电流集中器 168
10.5 光调控直流变换器件 17210.5.1 工作原理 173
10.5.2 实验验证 174
参考文献 178
第11章 宽带高分辨率成像透镜 18011.1 平板完美透镜 180
11.2 球形超透镜 181
11.3 扁球超透镜 183
11.4 宽带放大镜的设计与验证 184
参考文献 190
第12章 变换光学其他应用 19212.1 在纳米光子学中的应用 19212.1.1 几何变换 192
12.1.2 吸收特性 194
12.1.3 场增强效应 195
12.1.4 纳米球与金属基板 197
12.2 在等离极化激元中的应用 19812.2.1 立体波束偏移器 198
12.2.2 圆柱隐身衣 200
12.2.3 地面隐身衣 202
12.2.4 实现方法 204
12.3 时空隐身衣 20512.3.1 时空隐身衣概念 205
12.3.2 简化设计 207
12.3.3 潜在应用 210
12.3.4 实现 211
12.3.5 时空隐身衣媒质参数计算 211
12.3.6 “窗帘"映射的细节设计 213
12.3.7 “窗帘"映射边缘光滑化处理 214
12.4 变换光学的未来探讨 215
参考文献 216
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