專利名稱：一種微波光柵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超材料領域，更具體地說，涉及一種微波光柵。
背景技術：
從所周知，光柵是制有按一定要求或規(guī)律排列的刻槽或線條的透光或不透光(反射)的光學元件。光柵也稱衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散(分解為光譜)的光學元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵每個縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細的圖樣，這些銳細而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，當復色光通過微波光柵后，不同波長的譜線在不同的位置出現而形成光譜。光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結果。
目前,超材料(metamaterial)作為一種材料設計理念以及研究前沿,越來越引起人們的關注，所謂超材料，是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通的超常材料功能。迄今發(fā)展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等，超材料性質往往不主要決定與構成材料的本征性質,而決定于其中的人工結構。超材料影響電磁波主要關注以下幾個方面的指標I)高性能。對電磁波的影響應具有較高的性能，接近所需要的影響狀態(tài)。2)低損耗。具有較高的能量影響效率，以實現節(jié)能降耗的目標。3)尺寸小。不占用過多空間。此外，對電磁波的影響應易于實現，設計不應太復雜，器件成本不應過高。超材料由介質基材和設置上基材上的多個人為結構組成，可以提供各種普通材料具有和不具有的材料特性。單個人為結構大小一般小于1/10個波長，其對外加電場和/或磁場具有電響應和/或磁響應，從而具有表現出等效介電常數和/或等效磁導率，或者等效折射率和波阻抗。人為的結構的等效介電常數和等效磁導率(或等效折射率和波阻抗)由單元幾何尺寸參數決定，可人為設計和控制。并且，人為結構可以具有人為設計的各向異性的電磁參數，從而產生許多新奇的現象，為實現電磁波的影響提供了可能。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，提供一種工藝簡單、易于實現以及成本低的微波光柵。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種微波光柵，由至少一塊片狀基板組成，所述片狀基板包括基材以及附著于基材的多個人造微結構，所述基材分成多個晶格，所述人造微結構置于所述晶格中形成一個單元，所述人造微結構與基材組合的等效折射率η取值范圍為沿垂直方向低折射率、高折射率交變分布，沿水平方向均勻分布。
在本發(fā)明所述的微波光柵中，所述等效折射率η在水平方向中呈周期性交變分布，在垂直方向呈周期性均勻分布。在本發(fā)明所述的微波光柵中，在基材選定的情況下，通過改變人造微結構的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布獲得內部的折射率分布。在本發(fā)明所述的微波光柵中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。在本發(fā)明所述的微波光柵中，所述低折射率取值為I < η < 2。在本發(fā)明所述的微波光柵中，所述高折射率取值為10 < η < 30。在本發(fā)明所述的微波光柵中，所述的人造微結構為具有圖案的附著在基材上的金屬線。
在本發(fā)明所述的微波光柵中，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。在本發(fā)明所述的微波光柵中，所述金屬線為銅線或銀線。在本發(fā)明所述的微波光柵中，所述金屬線呈雪花狀，“工”字型以及“工”字型的衍生型。實施本發(fā)明的微波光柵，具有以下有益效果通過設定特定人造微結構從而對微波光柵單元折射率加以影響，工藝簡單、易于實現、成本低。


圖I是本發(fā)明實施例種微波光柵結構方框圖；圖2為本發(fā)明實施例二一種微波光柵結構示意圖；圖3a為本發(fā)明實施例微波光柵的正視圖；圖3b為本發(fā)明微波光柵折射率在垂直方向上的分布圖；圖3c為本發(fā)明微波光柵微結構示意圖；圖4至圖6為圖3c人造微結構的衍生圖。
具體實施例方式為詳細說明本發(fā)明的技術內容、構造特征、所實現目的及效果，以下結合實施方式并配合附圖詳予說明?！俺牧?是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能?！俺牧?重要的三個重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工結構的復合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性質(往往是自然界的材料中所不具備的)；(3) “超材料"性質往往不主要決定與構成材料的本征性質，而決定于其中的人工結構。請參閱圖1，在本發(fā)明實例一，一種微波光柵20,包括基材I以及附著于基材I的多個人造微結構2，基材I分成多個晶格，人造微結構2置于晶格中形成一個單元，人造微結構2與基材I組合的等效折射率η取值范圍為沿垂直方向低折射率、高折射率交變分布，沿水平方向均勻分布。本圖中，以人造微結構的大小表示折射率的大小。為了更高的效率，人造微結構2在基材I上形成周期陣列，特別是均勻性周期陣列為佳，本發(fā)明中的微波光柵20,其實是一種超材料。依據超材料的特性，折射率越大，其反射率越高，在達到同樣反射效果時，超材料可以做成薄膜，對于特定的微結構，不同頻率下的折射率有一定的范圍，如在
I.5GHz-3GHz范圍內，對于特定微結構，其折射率可達20，所達到的反射效果很好；在15GHz-30GHz范圍內，對于特定微結構，其折射率可達6以上。因此可通過設計特定的微結構，應用于微波光柵，使之具有寬頻特性。該微波光柵的厚度對反射性能的影響可忽略，因 此可降低微波光柵的成本且體積小?，F有超材料具有柔韌性，可以根據不同需要做成不同形狀，利用高折射率的超材料實現寬頻微波光柵。請參閱圖2，本發(fā)明另一實施例，一種微波光柵，為了更高的效率，通常由多個超材料20片狀基板層壓成圖2所示的超材料集合體30，圖2中，超材料集合體30沿與水平面垂直的方向層疊而成。圖3a為一個片狀超材料20的正視圖?；腎分成若干晶格,“晶格”的概念來自固體物理，這里的“晶格”是指在超材料中每個人造微結構2所占用的尺寸?！熬Ц瘛背叽缛Q于人造微結構2需要響應的折射率分布，通常人造微結構2的尺寸為所需響應的電磁波波長的十分之一。人造微結構2置于晶格形成一個單元，所述單元在基材I選定的情況下，改變人造微結構2的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排列通過仿真而獲得折射率數值。請參閱圖3b，本發(fā)明微波光柵折射率于垂直方向上的折射率分布圖，其中，折射率高的單元3與折射率低的單元4交變分布，低折射率單元4透射微波，高折射率單元3大幅阻擋微波，當折射率很高時可以看成完全反射效果，如此便可實現微波光柵結構。在本發(fā)明的微波光柵中，低折射率取值為KnS 2，高折射率取值為10 < η < 30。實際應用中，根據不同波長或要求，改變高折射率以及低折射率的大小及其交變的周期，即可實現各種微波光柵，其中，高折射率以及低折射率的大小及其交變的周期可以隨著需求改變，以此滿足各種不同需求。超材料可以對電場或者磁場，或者兩者同時進行相應。對電場的響應取決于超材料的介電常數ε，而對磁場的響應取決于超材料的磁導率μ。通過對超材料空間中每一點的介電常數ε與磁導率μ的精確控制，我們可以實現通過超材料對電磁波的影響。超材料的電磁參數在空間中的均勻或者非均勻的分布是超材料20的重要特征之一。電磁參數在空間中的均勻分布為非均勻分布的一種特殊形式，但其具體特性，仍然是由空間中排列的各個單元結構的特性所決定。因此，通過設計空間中排列的每個結構的特性，就可以設計出整個超材料在空間中每一點的電磁特性，這種電磁材料系統(tǒng)將會具有眾多奇異特性，對電磁波的傳播可以起到特殊的引導作用。在本發(fā)明的微波光柵中，基材I由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。優(yōu)選地，聚四氟乙烯的電絕緣性非常好，因此不會對電磁波的電場產生干擾，并且具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性，使用壽命長，作為人造微結構2附著的基材I是很好的選擇。在本發(fā)明的微波光柵中，所述的人造微結構2為一具有圖案的附著在基材I上的
金屬線。在本發(fā)明的微波光柵中，金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材I上。在本發(fā)明的微波光柵中，所述金屬線為銅線或銀線。如圖3c所示，作為一個具體的實施例，所述金屬線呈雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線21及第二主線22，所述第一主線21的兩端垂直設置有兩個第一支線23，所述第一主線的兩端垂直設置有兩個第二支線24。所述第一主線21及第二主線22相互平分，所述兩個第一支線23的中心連接在第一主線21上，所述兩個第二支線24的中心連接在第二主線22上。當然還可以衍生其它的圖案，如在兩個第一支線和兩個第二支線的兩端 均再加兩個支線。當然，這里只是舉了一個簡單的例子，金屬線的圖案還可以為其它的，如圖4-圖6所示。依此類推，還可以有很多其它的衍生圖案，如“工”字型以及“工”字型的衍生型；本發(fā)明并不能對此一一列舉。圖中只是示意，實際上第一主線、第二主線、第一支線及第二支線都是有寬度的。上述的各例子都是可影響折射率分布的人造微結構2 ;另外還有許多可影響折射率分布的人造微結構2，如在許多文獻中都被引用到的開口諧振環(huán)結構。另外人造微結構2還可以有很多變形圖案，即超材料上的人造微結構2還可以是三角形、四方形、不規(guī)則的閉合曲線等，本發(fā)明并不能對此--列舉。在基材I選定的情況下，可以通過設計人造微結構2的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布獲得想要的折射率結果。這是因為，通過設計人造微結構2的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布，即可設計出微波光柵20在空間中每一單元的折射率。至于怎么得到人造微結構的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的折射率排布，這個方法是多種的，舉個例子，可以通過逆向的計算機仿真模擬得到，首先我們確定需要的折射率分布結果，根據此效果去設計微波光柵20整體的折射率分布，再從整體出發(fā)計算出空間中每一點的折射率分布，根據這每一點的折射率來選擇相應的人造微結構的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布(計算機中事先存放有多種人造微結構數據)，對每個點的設計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定圖案的人造微結構，計算折射率，將得到的結果和我們想要的對比，對比再循環(huán)多次，一直到找到我們想要的折射率為止，若找到了，則完成了人造微結構2的設計參數選擇；若沒找到，則換一種圖案的人造微結構，重復上面的循環(huán)，一直到找到我們想要的折射率為止。如果還是未找到，則上述過程也不會停止。也就是說只有找到了我們需要的折射率的人造微結構后，程序才會停止。由于這個過程都是由計算機完成的，因此，看似復雜，其實很快就能完成。實施本發(fā)明的微波光柵，具有以下有益效果通過設定特定人造微結構從而對微波光柵單元折射率加以影響，工藝簡單、易于實現、成本低。上面結合附圖對本發(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，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權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。
權利要求
1.一種微波光柵，由至少一塊片狀基板組成，其特征在于所述片狀基板包括基材以及附著于基材的多個人造微結構，所述基材分成多個晶格，所述人造微結構置于所述晶格中形成一個單元，所述人造微結構與基材組合的等效折射率n取值范圍為沿垂直方向低折射率、高折射率交變分布，沿水平方向均勻分布。
2.根據權利要求I或2所述的微波光柵，其特征在于，所述等效折射率n在水平方向中呈周期性均勻分布，在垂直方向呈周期性交變分布。
3.根據權利要求I所述的微波光柵，其特征在于，在基材選定的情況下，通過改變人造微結構的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布獲得內部的折射率分布。
4.根據權利要求I所述的微波光柵，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
5.根據權利要求I所述的微波光柵，其特征在于，所述低折射率取值為I< n < 2。
6.根據權利要求I所述的微波光柵，其特征在于，所述高折射率取值為10< n < 30。
7.根據權利要求I所述的微波光柵，其特征在于，所述的人造微結構為具有圖案的附著在基材上的金屬線。
8.根據權利要求8所述的微波光柵，其特征在于，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光亥IJ、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。
9.根據權利要求8所述的微波光柵，其特征在于，所述金屬線為銅墻鐵銅線或銀線。
10.根據權利要求8所述的微波光柵，其特征在于，所述金屬線呈雪花狀、“工”字型以及“工”字型的衍生型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波光柵，包括基材以及附著于基材的多個人造微結構，所述基材分成多個晶格，所述人造微結構置于所述晶格中形成一個單元，所述人造微結構與基材組合的等效折射率n取值范圍為沿垂直方向低折射率、高折射率交變分布，沿水平方向均勻分布。本發(fā)明通過設定特定人造微結構從而對微波光柵單元折射率加以影響，工藝簡單、易于實現、成本低。
文檔編號G02B5/18GK102809771SQ201110181180
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權日2011年6月30日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 洪運南 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司