專(zhuān)利名稱(chēng)：偏折電磁波的非均勻超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種偏折電磁波的非均勻超材料。
背景技術(shù)：
超材料是一種新型材料，是由基材和附著在基材表面上或嵌入在基材內(nèi)部的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的?；膶?duì)人造微結(jié)構(gòu)起到支撐作用，可為任何與人造微結(jié)構(gòu)不同的材料，這兩種材料的疊加會(huì)在空間中產(chǎn)生一個(gè)等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，通過(guò)設(shè)計(jì)超材料中的每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)的形狀和排布規(guī)律，就可設(shè)計(jì)超材料中每一點(diǎn)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生折射，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時(shí)，電磁波就會(huì)向折射率比較大的位置偏折，電磁波的折射率與 成正比關(guān)系，因而通過(guò)改變介電常數(shù)e和/或磁導(dǎo)率y在材料中的分布，就可達(dá)到改變電磁波的傳播路徑的目的。現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)電磁波的偏折是利用機(jī)械調(diào)節(jié)的方式改變電磁波的方向，這種機(jī)械調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)電磁波偏折的方法不夠靈活，很難進(jìn)行方便的調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種偏折電磁波的非均勻超材料，可方便、靈活的實(shí)現(xiàn)電磁波的偏折。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供了一種偏折電磁波的非均勻超材料，包括由至少一個(gè)超材料片層構(gòu)成的功能層，所述超材料片層包括基板和多個(gè)附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，所述功能層分成多個(gè)帶狀區(qū)域，所有帶狀區(qū)域內(nèi)的折射率均沿同一方向連續(xù)增大且至少存在兩個(gè)相鄰的第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域的折射率從nl連續(xù)增大到n2，第二區(qū)域的折射率從n3連續(xù)增大到n4，且滿足n2 > n3。進(jìn)一步地，所述超材料的功能層由多個(gè)折射率非均勻分布的超材料片層沿垂直于所述片層表面方向堆疊形成。進(jìn)一步地，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述金屬絲為銅絲或銀絲。進(jìn)一步地，所述金屬絲通過(guò)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。 進(jìn)一步地,所述基板由陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形、“十”字形或“王”字形。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為非軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)包括不等邊三角形、平行四邊形或不規(guī)則閉合曲線。進(jìn)一步地，所述超材料還包括分別設(shè)置于所述功能層兩側(cè)的阻抗匹配層。
上述技術(shù)方案至少具有如下有益效果本發(fā)明的非均勻超材料上設(shè)置有多個(gè)區(qū)域，在每個(gè)帶狀區(qū)域內(nèi)超材料的折射率連續(xù)增大且至少存在兩個(gè)相鄰的第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域的折射率從nl連續(xù)增大到n2，第二區(qū)域的折射率從n3連續(xù)增大到n4，且滿足n2 >n3。本發(fā)明的非均勻超材料可方便靈活的實(shí)現(xiàn)電磁波的偏折，其制造工藝簡(jiǎn)單，方便大規(guī)模生產(chǎn)。


圖I是本發(fā)明的超材料偏折電磁波的原理圖。圖2是本發(fā)明的超材料的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2所示超材料的主視圖。圖4是本發(fā)明的超材料的第二實(shí)施例的主視圖。圖5是本發(fā)明的超材料的第三實(shí)施例的主視圖。
具體實(shí)施方式

電磁波的折射率與成正比關(guān)系，當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生折射，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時(shí)，電磁波就會(huì)向折射率比較大的位置偏折，因而通過(guò)改變介電常數(shù)e和/或磁導(dǎo)率U在材料中的分布，就可達(dá)到改變電磁波的傳播路徑的目的。超材料是一種以人造微結(jié)構(gòu)2為基本單元并以特定方式進(jìn)行空間排布、具有特殊電磁響應(yīng)的新型材料，包括人造微結(jié)構(gòu)2和供人造微結(jié)構(gòu)2附著的基板I。人造微結(jié)構(gòu)2為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)，多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2在基板I上陣列排布，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2以及其所附著的基板I所占部分即為一個(gè)超材料單元?；錓可為任何與人造微結(jié)構(gòu)2不同的材料，這兩種材料的疊加使每個(gè)超材料單元產(chǎn)生一個(gè)等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率,這兩個(gè)物理參數(shù)分別對(duì)應(yīng)了超材料單元的電場(chǎng)響應(yīng)與磁場(chǎng)響應(yīng)。超材料對(duì)電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)2的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)2的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬絲的圖案所具有的拓?fù)涮卣骱推鋷缀纬叽?。根?jù)上述原理設(shè)計(jì)超材料空間中排列的每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2的圖案和幾何尺寸，就可對(duì)超材料中每一點(diǎn)的電磁參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。圖I所示為本發(fā)明的非均勻超材料10偏折電磁波的原理圖，超材料包括功能層10和分別設(shè)置在功能層10兩側(cè)的阻抗匹配層(圖中未示出)。如圖所示超材料的功能層10存在4個(gè)折射率連續(xù)增大的帶狀區(qū)域4。第一個(gè)區(qū)域的折射率從nl連續(xù)增大到n2，第二個(gè)區(qū)域的折射率從n3連續(xù)增大到n4,第三個(gè)區(qū)域的折射率從n5連續(xù)增大到n6,第四個(gè)區(qū)域的折射率從n7連續(xù)增大到n8，其中n2 > n3，n4 > n5，n6 > n7。一束平行入射的電磁波經(jīng)過(guò)具有上述折射率分布規(guī)律的超材料后，出射電磁波均向第四個(gè)區(qū)域的方向偏折。本發(fā)明中各個(gè)帶狀區(qū)域4內(nèi)的超材料的折射率既可以為線性連續(xù)增加，也可以為非線性連續(xù)增力口，只要所有帶狀區(qū)域4內(nèi)功能層10的折射率均沿同一方向連續(xù)增大且至少存在兩個(gè)相鄰的第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域的折射率從nl連續(xù)增大到n2，第二區(qū)域的折射率從n3連續(xù)增大到n4，且滿足n2 > n3，即可實(shí)現(xiàn)電磁波向同一方向偏折。圖中L表示帶狀區(qū)域4的長(zhǎng)度，本實(shí)施例中的4個(gè)帶狀區(qū)域4的長(zhǎng)度L相等，且滿足如下關(guān)系
(I)n2 > n3, n4 > n5, n6 > n7 ；(2)所有帶狀區(qū)域4內(nèi)的折射率沿同一方向增大或減小。實(shí)驗(yàn)證明，電磁波通過(guò)超材料的功能層10的偏折角與功能層10的厚度和折射率變化率滿足下列關(guān)系式d A n = sin 3 ；
其中d表示功能層10的厚度；An表示相鄰兩個(gè)超材料單元的折射率變化率；3表示偏折角。由于功能層10的厚度d確定，因此要實(shí)現(xiàn)圖I所示的偏折角￠1= ￠2 = ￠3 =^ 4，可確定相鄰兩個(gè)超材料單元的An，因此通過(guò)合理設(shè)計(jì)每個(gè)超材料片層3的折射率分布以及超材料片層3的數(shù)量使得An保持不變，即可實(shí)現(xiàn)平行入射的電磁波向同一方向平行偏折。進(jìn)一步地，由于電磁波的折射率與成正比關(guān)系，所以只要改變介電常數(shù)與磁導(dǎo)率中的至少一個(gè)，就可以改變折射率。實(shí)驗(yàn)證明，相同圖案的人造微結(jié)構(gòu)2，其幾何尺寸與介電常數(shù)成正比，因此在入射電磁波確定的情況下，通過(guò)合理設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)2的圖案和不同尺寸的人造微結(jié)構(gòu)2在超材料片層上的排布，就可以調(diào)整超材料的折射率分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平行入射電磁波向同一方向平行偏折出射。圖2和圖3分別為本發(fā)明的非均勻超材料的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖和主視圖，本實(shí)施例中功能層10由多個(gè)非均勻的超材料片層3沿垂直于其表面方向堆疊成為一體,每個(gè)超材料片層3包括片狀的基板I和附著在基板I上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2。本實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)2呈“工”字形，人造微結(jié)構(gòu)2陣列分布在基板I上，如圖所示超材料的功能層10分成若干個(gè)帶狀區(qū)域4，每個(gè)帶狀區(qū)域4的“工”字形人造微結(jié)構(gòu)2的尺寸連續(xù)增大，進(jìn)而帶狀區(qū)域4內(nèi)的超材料的折射率連續(xù)增大，當(dāng)平行電磁波射入本實(shí)施例的超材料時(shí)，出射電磁波均向折射率大的方向偏折，通過(guò)合理設(shè)計(jì)“工”字形的人造微結(jié)構(gòu)2的尺寸變化規(guī)律可實(shí)現(xiàn)平行入射電磁波向同一方向平行偏折出射。圖4和圖5分別為本發(fā)明的非均勻超材料的第二、第三實(shí)施例的主視圖，在圖4和圖5所示實(shí)施例中除了人造微結(jié)構(gòu)2的幾何形狀與圖3所示實(shí)施例不同之外，人造微結(jié)構(gòu)2的排布規(guī)律等均與之相同。圖4所示實(shí)施例中人造微結(jié)構(gòu)2呈“王”字形，也可采用“十”字形等其他軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，只要帶狀區(qū)域4內(nèi)的超材料的折射率連續(xù)增大或減小即可實(shí)現(xiàn)電磁波的偏折。圖5所示實(shí)施例中人造微結(jié)構(gòu)2為不等邊三角形，也可采用平行四邊形或不規(guī)則閉合曲線等其他非軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施時(shí)，可通過(guò)計(jì)算和仿真得出其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，然后不斷調(diào)整人造微結(jié)構(gòu)2的形狀和尺寸，直到其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的值滿足上述折射率分布即可實(shí)現(xiàn)平行電磁波向同一方向平行偏折出射。人造微結(jié)構(gòu)2由至少一根銅絲或者銀絲等金屬絲構(gòu)成，具有特定圖形。金屬線通過(guò)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等多種方法附著在基板I上。其中蝕刻是較優(yōu)的制造工藝，其步驟是在設(shè)計(jì)好合適的人造微結(jié)構(gòu)2的平面圖案后，先將一張金屬箔片整體地附著在基板I上，然后通過(guò)蝕刻設(shè)備，利用溶劑與金屬的化學(xué)反應(yīng)去除掉人造微結(jié)構(gòu)2預(yù)設(shè)圖案以外的箔片部分，余下的即可得到陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)2?；錓由陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
本發(fā)明的非均勻超材料上設(shè)置有多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的折射率連續(xù)增大或減小可實(shí)現(xiàn)電磁波在該區(qū)域內(nèi)的緩慢向折射率大的方向偏折，通過(guò)合理設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)2的形狀和尺寸的分布即可實(shí)現(xiàn)平行入射的電磁波向同一方向平行偏折出射。本發(fā)明的非均勻超 材料可方便靈活的實(shí)現(xiàn)電磁波的偏折，其制造工藝簡(jiǎn)單，方便大規(guī)模生產(chǎn)。以上所述是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種偏折電磁波的非均勻超材料，包括由至少一個(gè)超材料片層構(gòu)成的功能層，所述超材料片層包括基板和多個(gè)附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述功能層分成多個(gè)帶狀區(qū)域，所有帶狀區(qū)域內(nèi)的折射率均沿同一方向連續(xù)增大且至少存在兩個(gè)相鄰的第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域的折射率從nl連續(xù)增大到n2，第二區(qū)域的折射率從n3連續(xù)增大到n4，且滿足n2 > n3。
2.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，所述超材料的功能層由多個(gè)折射率非均勻分布的超材料片層沿垂直于所述片層表面方向堆疊形成。
3.如權(quán)利要求I或2所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
5.如權(quán)利要求4所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，所述金屬絲通過(guò)蝕亥IJ、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。
6.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，所述基板由陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
7.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形、“十”字形或“王”字形。
9.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為非軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)包括不等邊三角形、平行四邊形或不規(guī)則閉合曲線。
10.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的非均勻超材料，其特征在于，所述超材料還包括分別設(shè)置于所述功能層兩側(cè)的阻抗匹配層。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例涉及一種偏折電磁波的非均勻超材料，包括由至少一個(gè)超材料片層構(gòu)成的功能層，超材料片層包括基板和多個(gè)附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)。功能層分成多個(gè)帶狀區(qū)域，在每個(gè)帶狀區(qū)域內(nèi)功能層的折射率連續(xù)增大且至少存在兩個(gè)相鄰的第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域的折射率從n1連續(xù)增大到n2，第二區(qū)域的折射率從n3連續(xù)增大到n4，且滿足n2＞n3。本發(fā)明通過(guò)在超材料上設(shè)置多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的折射率連續(xù)變化可實(shí)現(xiàn)電磁波在該區(qū)域內(nèi)的緩慢偏折，電磁波經(jīng)過(guò)多個(gè)區(qū)域可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的偏折方向。本發(fā)明的非均勻超材料可方便靈活的實(shí)現(xiàn)電磁波的偏折，其制造工藝簡(jiǎn)單，方便大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B82Y30/00GK102751587SQ20111009937
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 欒琳, 王今金 申請(qǐng)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