專利名稱：電磁波平移元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁通訊領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種利用超材料制成的電磁波平移元件。
背景技術(shù)：
超材料是一種新型材料，是由非金屬材料制成的基材和附著在基材表面上或嵌入在基材內(nèi)部的多個人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。人造微結(jié)構(gòu)是組成一定幾何圖形的圓柱形或扁平狀金屬絲，例如組成圓環(huán)形、I形的金屬絲等。每個人造微結(jié)構(gòu)及其附著或占據(jù)的部分基材構(gòu)成一個超材料單元，整個超材料即是由數(shù)十萬、百萬甚至上億的這樣的超材料單元組成的， 就像晶體是由無數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的，每個晶格即相當(dāng)于上述的人造微結(jié)構(gòu)及基材構(gòu)成的超材料單元。由于人造微結(jié)構(gòu)的存在，每個上述單元整體具有一個等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率， 因此所有的單元構(gòu)成的超材料對電場和磁場呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；同時，對人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可改變其單元的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，進而改變整個超材料的響應(yīng)特性。對于現(xiàn)有的材料，要實現(xiàn)電磁波的平移，需要使用均質(zhì)的各向異性材料例如石英等晶體，由于這些晶體大都是天然的，天然晶體的尺寸有限，而人工制造晶體通常也很難做得很大，如果將多個制得的晶體拼接或粘合從而制成較大的晶體，其結(jié)合面或粘合面上的折射和反射，會影響整體對電磁波的平移效果。因此，對于大面積的接收電磁波并實現(xiàn)電磁波平移的元件，人們只能著眼于采用超材料來實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的各向異性晶體其尺寸大小受限、 不能獲得大面積接收并平移電磁波的缺陷，提供一種超材料制成的電磁波平移元件。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種電磁波平移元件，包括至少一個超材料片層，每個片層包括片狀的基材和附著在所述基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)；每個所述人造微結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，使得整個所述電磁波平移元件呈各向異性；每個人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球完全相同，且各個折射率橢球的的非尋常光光軸相互平行，各個非尋常光軸均不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向，從而使得所述電磁波平移元件的光學(xué)主軸不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向。在本發(fā)明所述的電磁波平移元件中，所述多個人造微結(jié)構(gòu)均相同且相互平行地均勻排布在所述基材上，使得其折射率橢球大小相同且非尋常光光軸相互平行。在本發(fā)明所述的電磁波平移元件中，所述電磁波平移元件包括多個超材料片層， 所述多個超材料片層沿垂直于所述超材料片層表面的方向堆疊從而成為一體。在本發(fā)明所述的電磁波平移元件中，每個所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的具有幾何圖案的平面或立體結(jié)構(gòu)。
3
在本發(fā)明所述的電磁波平移元件中，所述人造微結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的電磁波平移元件中，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形、“十”字形或橢圓形。在本發(fā)明所述的電磁波平移元件中，所述人造微結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的電磁波平移元件中，所述人造微結(jié)構(gòu)為任意三角形、四邊形或不規(guī)則閉合曲線。實施本發(fā)明的電磁波平移元件，具有以下有益效果由于采用完全相同的多個超材料片層疊加而成，每個超材料片層可以設(shè)計相同的人造微結(jié)構(gòu)，因此加工和設(shè)計上非常簡便，且通過疊加足夠多的片層可制得足夠大的尺寸，以滿足各種極端應(yīng)用條件的需求。每個人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計成各向異性且其折射率橢球的非尋常光光軸方向與需要響應(yīng)的入射電磁波方向不垂直且不平行即可。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖1是本發(fā)明的電磁波平移元件的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示實施例的其中一個人造微結(jié)構(gòu)的主視圖；圖3是本發(fā)明第二實施例的主視圖；圖4是本發(fā)明第三實施例的主視圖；圖5是本發(fā)明第四實施例的主視圖；圖6是本發(fā)明第五實施例的主視圖；圖7是本發(fā)明第六實施例的超材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是由圖7所示超材料單元陣列構(gòu)成的超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是由多個圖8所示超材料片層堆疊構(gòu)成的電磁波平移元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各標(biāo)號對應(yīng)的名稱為1基材，2人造微結(jié)構(gòu)，4超材料單元，5折射率橢球，ne非尋常光光軸，n0尋常光光軸，60第一金屬絲，61第二金屬絲，70水平金屬絲，71數(shù)值金屬絲，80長金屬絲，81短金屬絲。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種電磁波平移元件，可使電磁波相對于入射方向平移一段距離。如圖1所示，本發(fā)明的電磁波平移元件由一個或多個厚度相同的超材料片層構(gòu)成，這些超材料片層之間等間距排列地組裝，或兩兩片層之間直接前、后表面相粘合地連接成一體。每個超材料片層包括前后表面平行從而成等厚片狀的基材1，還包括附著在基材1 前表面上或嵌在每片基材1內(nèi)部的多個陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)2。這些人造微結(jié)構(gòu)2均勻分布在基材1表面上。這里的均勻分布是指，任一人造微結(jié)構(gòu)2與其周圍幾個人造微結(jié)構(gòu)2之間的間隔距離，和其他人造微結(jié)構(gòu)2與其周圍幾個人造微結(jié)構(gòu)2之間的間隔距離都是相同的，換句話說，也就是每個人造微結(jié)構(gòu)2所占據(jù)的基材 1體積是相同的。每個人造微結(jié)構(gòu)2是由細(xì)而薄的金屬絲組成的，這些金屬絲在基材1前表面上或基材1內(nèi)部組成一定的幾何形狀，與所附著占據(jù)的基材1部分一起構(gòu)成一個超材料單元4， 這個超材料單元4具有不同于附著基材1的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，因此可對電磁場產(chǎn)生不同的響應(yīng)。超材料片層是由多個這樣的完全相同的超材料單元4無縫結(jié)合起來的， 通過所有超材料單元4的共同響應(yīng)，使整個元件實現(xiàn)對電磁波的平移。要使電磁波平移，必須具備兩個條件，其一是元件整體對電磁波呈均質(zhì)且各向異性。由于整個元件是由規(guī)則排布的超材料片層組成的，片層的分布是均勻且平行的，而每個片層上的人造微結(jié)構(gòu)2的分布也是均勻的，因此，只要每個人造微結(jié)構(gòu)2自身的結(jié)構(gòu)為各向異性，則元件整體就會對電磁波呈現(xiàn)各向異性的特征；若人造微結(jié)構(gòu)2為各向同性結(jié)構(gòu)，則元件整體對電磁波體現(xiàn)出各向同性的特征。要實現(xiàn)元件對電磁波來說是均質(zhì)的，即要求每個人造微結(jié)構(gòu)2對電磁波的響應(yīng)是相同的，也即每個人造微結(jié)構(gòu)2對電磁波的折射率橢球 5是相同的，也即每個折射率橢球5形狀相同，大小相等。對于平面結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)2，這里的各向同性，是指對于在該二維平面上以任一角度入射的任一電磁波，上述人造微結(jié)構(gòu)2在該平面上的電場響應(yīng)和磁場響應(yīng)均相同，也即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相同；對于三維結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)2，各向同性是指對于在三維空間的任一方向上入射的電磁波，每個上述人造微結(jié)構(gòu)2在三維空間上的電場響應(yīng)和磁場響應(yīng)均相同。當(dāng)人造微結(jié)構(gòu)2為90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)時，人造微結(jié)構(gòu)2即具有各向同性的特征。對于二維平面結(jié)構(gòu)，90度旋轉(zhuǎn)對稱是指其在該平面上繞一垂直于該平面的旋轉(zhuǎn)軸任意旋轉(zhuǎn)90度后與原結(jié)構(gòu)重合；對于三維結(jié)構(gòu)，如果具有兩兩垂直且共交點的3條旋轉(zhuǎn)軸， 使得該結(jié)構(gòu)繞任一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90度后均與原結(jié)構(gòu)重合或者與原結(jié)構(gòu)以一對稱面對稱，則該結(jié)構(gòu)為90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。因此，要實現(xiàn)各向異性，則本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)2不能為90 度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。電磁波平移的另一必要條件是整個元件的光學(xué)主軸必然不平行且不垂直于入射電磁波的傳播方向。本實施例中，電磁波平行于基材1前表面地入射到超材料片層的一側(cè)邊緣，多個超材料片層沿垂直于其前表面的方向堆疊粘合，使得多個側(cè)邊緣合并構(gòu)成入射電磁波的入射表面。同樣，由于超材料片層均勻規(guī)則排布，每個人造微結(jié)構(gòu)2也均勻排列，因此，要使整個元件的光學(xué)主軸不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向，本實施例中，必須使每個超材料單元4的折射率橢球5的非尋常光光軸ne相互平行，且每個非尋常光光軸ne均不垂直且不平行于所述入射表面，與折射率橢球5的非尋常光光軸平行的方向即為該元件的光學(xué)主軸方向。非尋常光光軸為折射率橢球5的長軸方向，尋常光光軸η。為其短軸方向。由于超材料單元4的基材選用的是普通天然材料，通常為各向同性的均質(zhì)材料，因此，其折射率特征為圓球，對超材料單元4的折射率特征沒有影響，故而只要人造微結(jié)構(gòu)2的折射率橢球 5的非尋常光光軸不垂直且不平行于所述入射表面即可。當(dāng)基材不是普通的各向同性且均質(zhì)的材料，則本文的折射率橢球均指人造微結(jié)構(gòu)2和所附著的基材部分的折射率特性二者疊加所對應(yīng)的折射率橢球，也即超材料單元4的折射率橢球5。折射率橢球用來表示折射率特性，對于任一給定的超材料單元4，可通過現(xiàn)有技術(shù)的模擬仿真軟件和計算方法算出來，例如參考文獻Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials, D. R. Smith, D. C. Vier, Τ. Koschny,C. Μ. Soukoulis, Physical Review E 71,036617(2005)。綜上所述，要實現(xiàn)平移，必須使每個人造微結(jié)構(gòu)2具有相同的折射率橢球5，且每個折射率橢球5的非尋常光光軸\相互平行同時均不垂直且不平行于電磁波入射方向。這里的每個人造微結(jié)構(gòu)2可以相同，也可以不同，均可通過設(shè)計來實現(xiàn)。為了便于制造，本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，各個人造微結(jié)構(gòu)2完全相同，且相互均勻且平行地排布，調(diào)整元件使得各折射率橢球5的非尋常光光軸ne不垂直且不平行于入射方向，即可滿足上述條件，實現(xiàn)平移。這里的相互平行是指，每個人造微結(jié)構(gòu)2上任意兩點的連線，與另一個人造微結(jié)構(gòu)2 上相應(yīng)兩點的連線平行，或者說，每個人造微結(jié)構(gòu)2都可通過水平和豎直移動最終與任意另一人造微結(jié)構(gòu)2重合。對于圖1所示實施例中的超材料單元4，其折射率橢球5的尋常光光軸η。、非尋常光光軸ne如圖2中所示。假定坐標(biāo)原點在折射率橢球5的中心上，且以η。軸為χ軸，ne軸為y軸，折射率橢球5上的任意一點用!!,， 表示，則當(dāng)如圖2所示的電磁波經(jīng)過超材料單元 4時，其用kx，ky表示的對應(yīng)于此折射率橢球5的波傳播橢球50有以下關(guān)系，即ky □ ηχω/ c，kx □ nyco/c，其中，ω為電磁波的角頻率，c為光速，波傳播橢球50與折射率橢球5共中心點，kx，ky是波傳播橢球50上的點坐標(biāo)。由公式可知，波傳播橢球50與折射率橢球5為相似圖形，且其長軸方向為折射率橢球5的短軸方向，而短軸方向為折射率橢球5的長軸方向。電磁波經(jīng)過超材料單元4后的偏折方向可通過波傳播橢球50畫出來。如圖2所示，對于如圖中所示方向入射的電磁波，與要出射的波傳播橢球50的面上一點相交，做此相交點關(guān)于波傳播橢球50的切線，自切點做的切線的法線方向即為電磁波的能量傳播方向，因此電磁波在元件內(nèi)部沿此方向傳播。當(dāng)電磁波離開元件時，所述法線延伸至與電磁波平移元件的一表面也即出射面相交后，自出射面上的交點繼續(xù)沿與入射方向平行的方向出射，此出射方向為電磁波相位傳播方向。實現(xiàn)上述兩個必備條件的人造微結(jié)構(gòu)2有很多種可實現(xiàn)方式，對于平面結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)2，其幾何形狀可以是軸對稱也可以非軸對稱；對于三維結(jié)構(gòu)，其可以是非90度旋轉(zhuǎn)對稱的任意三維圖形。圖2、圖3、圖4示出了其中三種軸對稱且非90度對稱的平面人造微結(jié)構(gòu)2，圖5和圖6是非軸對稱的平面人造微結(jié)構(gòu)2，圖7至圖9為三維結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)2的示意圖。平面的人造微結(jié)構(gòu)2均附著在片狀基材1的表面上。如圖2所示，其人造微結(jié)構(gòu)2 呈“工”字形，包括兩根相互平行且長度相等的第一金屬絲60、兩端分別連接兩第一金屬絲 60且垂直平分第一金屬絲60的第二金屬絲61。所有人造微結(jié)構(gòu)2按照正方形陣列排布， 且第二金屬絲61相對于水平或豎直陣列方向的傾斜角為45度。每個人造微結(jié)構(gòu)2的折射率橢球5如圖2所示，其非尋常光光軸ne與第二金屬絲61的方向平行，整個電磁波平移元件的光學(xué)主軸即為與非尋常光光軸平行的方向。圖3所示的電磁波平移元件，除了人造微結(jié)構(gòu)2的幾何形狀與圖1、圖2所示實施例不同之外，其他均與之相同，圖4至圖6也類同。圖3所示實施例的人造微結(jié)構(gòu)2呈“十” 字形，具有垂直相交且互相平分的水平金屬絲70和豎直金屬絲71，二者長度不相等，且均不垂直也不平行于水平方向。各人造微結(jié)構(gòu)2的折射率橢球5如圖所示，其非尋常光光軸 ηε、尋常光光軸η。分別于豎直金屬線、水平金屬線重合，因此，對于水平入射的電磁波，非尋常光光軸也即此電磁波平移元件的光學(xué)主軸不垂直切不平行于電磁波入射方向。如圖4所示的人造微結(jié)構(gòu)2呈橢圓形閉合線圈，且橢圓形的長軸和短軸均不平行且不垂直于水平方向，也即電磁波入射方向，因此各個折射率橢球5的非尋常光光軸也不平行且不垂直于電磁波的入射方向，電磁波經(jīng)過該電磁波平移元件時發(fā)生偏折，并從與入射表面平行的另一面以水平方向射出。圖5、圖6所示的人造微結(jié)構(gòu)2為任意三角形和閉合的不規(guī)則曲線，同樣也可為其他任意非正方形的四邊形、五邊形、不閉合的不規(guī)則曲線等等，只要滿足每個人造微結(jié)構(gòu)2 的折射率橢球5的非尋常光光軸不與電磁波入射方向垂直或平行，即可實現(xiàn)本發(fā)明的電磁波平移目的。圖7、圖8示出的是三維結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)2所構(gòu)成的超材料單元和由多個超材料單元陣列構(gòu)成的超材料片層，每個三維的人造微結(jié)構(gòu)2均勻、平行地陣列排布在片狀基材1 內(nèi)部，多個圖8所示的片狀基材1堆疊從而構(gòu)成一個整體的電磁波平移元件，如圖9所示， 圖示箭頭方向為電磁波入射方向。本實施例的人造微結(jié)構(gòu)2包括相交于一點且兩兩垂直的三根長金屬絲80和分別接在每個長金屬絲80兩端且與該長金屬絲80垂直的六根短金屬絲81，由于該人造微結(jié)構(gòu) 2非90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，因此，具有各向異性的特征，導(dǎo)致整個電磁波平移元件對電磁波呈各向異性，其非尋常光光軸ne在三維空間內(nèi)與電磁波入射方向也是不垂直且不平行的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波的平移。采用本發(fā)明的電磁波平移元件，由于采用完全相同的多個超材料片層疊加而成， 每個超材料片層具有相同的人造微結(jié)構(gòu)2，因此加工和設(shè)計上非常簡便，且通過疊加足夠多的片層可制得足夠大的尺寸，以滿足各種極端應(yīng)用條件的需求。每個人造微結(jié)構(gòu)2設(shè)計成各向異性且其折射率橢球5的非尋常光光軸方向與需要響應(yīng)的入射電磁波方向不垂直且不平行即可。因此，上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電磁波平移元件，其特征在于，包括至少一個超材料片層，每個片層包括片狀的基材(1)和附著在所述基材(1)上的多個人造微結(jié)構(gòu)O)；每個所述人造微結(jié)構(gòu)(2)為非90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，使得整個所述電磁波平移元件呈各向異性；每個人造微結(jié)構(gòu)( 的折射率橢球( 完全相同，且各個折射率橢球( 的非尋常光光軸OO相互平行，各個非尋常光軸OO均不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向， 從而使得所述電磁波平移元件的光學(xué)主軸不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波平移元件，其特征在于，所述多個人造微結(jié)構(gòu)(2)均相同且相互平行地均勻排布在所述基材(1)上，使得其折射率橢球( 大小相同且非尋常光光軸OO相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波平移元件，其特征在于，所述電磁波平移元件包括多個超材料片層，所述多個超材料片層沿垂直于所述超材料片層表面的方向堆疊成為一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波平移元件，其特征在于，每個所述人造微結(jié)構(gòu)(2)為由至少一根金屬絲組成的具有幾何圖案的平面或立體結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波平移元件，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)(2)為軸對稱結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁波平移元件，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)(2)為“工” 字形、“十”字形或橢圓環(huán)形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波平移元件，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)(2)為非軸對稱結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁波平移元件，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)(2)為任意三角形、非正方形的四邊形或不規(guī)則閉合曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電磁波平移元件，包括至少一個超材料片層，每個片層包括片狀的基材(1)和附著在所述基材(1)上的多個人造微結(jié)構(gòu)(2)；每個所述人造微結(jié)構(gòu)(2)為非90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，使得整個所述電磁波平移元件呈各向異性；每個人造微結(jié)構(gòu)(2)的折射率橢球(5)完全相同，且各個折射率橢球(5)的非尋常光光軸(ne)相互平行，各個非尋常光軸(ne)均不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向，從而使得所述電磁波平移元件的光學(xué)主軸不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向。采用本發(fā)明，即可實現(xiàn)在不改變電磁波傳播方向的前提下實現(xiàn)電磁波的平移。
文檔編號G02B3/00GK102479996SQ201110061800
公開日2012年5月30日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 徐冠雄, 李岳峰 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院