專利名稱：基于超材料的漫反射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超材料的漫反射裝置。
背景技術(shù)：
漫反射是指電磁波被粗糙表面無規(guī)則地向各個方向反射的現(xiàn)象。很多物體，如植物、墻壁、衣服等，其表面粗看起來似乎是平滑，但用放大鏡仔細觀察，就會看到其表面是凹凸不平的，所以本來是平行的太陽光被這些表面反射后，就彌漫地射向不同方向。但對于波長較長的電磁波采用上述材料很難使其發(fā)生漫反射，需要改變材料的物理外形使其表面形成較大的鋸齒狀才能實現(xiàn)波長較長的電磁波的漫反射，對材料的表面形狀和厚度有較大限制
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于超材料的漫反射裝置，具有平滑的表面且厚度較薄。為解決上述技術(shù)問題，提供了一種基于超材料的漫反射裝置，包括超材料和設(shè)置于所述超材料一側(cè)表面上的反射層，所述超材料包括片狀的基板和附著在所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述基板分成若干晶格，所述人造微結(jié)構(gòu)置于所述晶格中，每一晶格與其上的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個超材料單元，每個超材料單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率不規(guī)則分布。進一步地，所述片狀的基板上不規(guī)則分布有多個拓撲結(jié)構(gòu)相同且?guī)缀纬叽绮煌娜嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)。進一步地，每個所述人造微結(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)。進一步地，所述金屬絲為銅絲或銀絲。進一步地，所述基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4復(fù)合材料或F46復(fù)合材料制得。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)具有對電場響應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形、“十”字形或“H”形。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)具有對磁場響應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為帶有缺口的多邊形或帶有缺口的環(huán)形。進一步地,所述反射層由金屬材料制成。上述技術(shù)方案至少具有如下有益效果本發(fā)明的基于超材料的漫反射裝置，包括超材料和設(shè)置于超材料一側(cè)表面上的反射層，超材料包括片狀的基板和附著在基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)?；宸殖扇舾删Ц?，人造微結(jié)構(gòu)置于晶格中，每一晶格與其上的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個超材料單元，每個超材料單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率不規(guī)則分布。本發(fā)明的漫反射裝置通過統(tǒng)計方法設(shè)計超材料的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸，使得超材料每一點的電磁參數(shù)不規(guī)則分布，進而實現(xiàn)入射電磁波的漫反射，該裝置表面平滑且厚度較薄。
圖I是本發(fā)明的基于超材料的漫反射裝置的原理示意圖。圖2是圖I所示的超材料的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖I所示的超材料的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是由圖2所示人造微結(jié)構(gòu)衍生的實施例的示意圖。圖5是由圖4所示人造微結(jié)構(gòu)衍生的實施例的示意圖。圖6是本發(fā)明的超材料所采用的人造微結(jié)構(gòu)的另一實施例的示意圖。
具體實施例方式漫反射是指電磁波被粗糙表面無規(guī)則地向各個方向反射的現(xiàn)象。很多物體，如植物、墻壁、衣服等，其表面粗看起來似乎是平滑，但用放大鏡仔細觀察，就會看到其表面是凹凸不平的，所以本來是平行的太陽光被這些表面反射后，就不規(guī)則的射向不同方向。但對于波長較長的電磁波采用上述材料很難使其發(fā)生漫反射，需要改變材料的物理外形使其表面形成較大的鋸齒狀才能實現(xiàn)波長較長的電磁波的漫反射，對材料的表面形狀和材料的厚度有較大限制。當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時，電磁波會發(fā)生折射，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時，電磁波就會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)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)，多個人造微結(jié)構(gòu)2在基板I上陣列排布，每個人造微結(jié)構(gòu)2以及其所附著的基板I所占部分即為一個超材料單元4。基板I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超材料單元4產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，這兩個物理參數(shù)分別對應(yīng)了超材料單元4的電場響應(yīng)與磁場響應(yīng)。超材料對電磁響應(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撲特征和其幾何尺寸。因此根據(jù)上述原理設(shè)計超材料空間中排列的每個人造微結(jié)構(gòu)2的圖案和幾何尺寸，就可對超材料中每一點的電磁參數(shù)進行設(shè)置，進而改變電磁波的傳播路徑。圖I所示為本發(fā)明的基于超材料的漫反射裝置的原理示意圖，該漫反射裝置包括超材料10和設(shè)置于超材料10 —側(cè)表面上的反射層20。反射層20是具有良好反射特性的反射面，比如金屬反射面等。超材料10包括表面平滑的片狀的基板I和附著在基板I上的多個人造微結(jié)構(gòu)2?；錓分成若干晶格，人造微結(jié)構(gòu)2置于晶格中，每一晶格與其上的人造微結(jié)構(gòu)2構(gòu)成一個超材料單元4，通過設(shè)計超材料10中排列的每個人造微結(jié)構(gòu)2，使得超材料10的每個超材料單元4的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率不規(guī)則分布。當(dāng)一束平行電磁波入射到本發(fā)明的漫反射裝置上時，平行電磁波首先經(jīng)過電磁參數(shù)不規(guī)則分布的超材料10發(fā)生不規(guī)則的偏折，再經(jīng)過反射層20反射，反射后的電磁波再經(jīng)過電磁參數(shù)不規(guī)則分布的超材料10，最后電磁波無規(guī)則地向各個方向反射，實現(xiàn)了電磁波的漫反射。滿足上述條件的超材料10有很多種可實現(xiàn)方式。圖2是圖I所示的超材料10的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實例中基板I上不規(guī)則分布有多個拓撲結(jié)構(gòu)相同且?guī)缀纬叽绮煌娜嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)2，使得超材料10的每個超材料單元4的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率不規(guī)則分布。本實施例中所有的人造微結(jié)構(gòu)2均呈“工”字形，包括豎直的第一金屬絲201和分別連接在第一金屬絲201兩端且垂直于第一金屬絲201的第二金屬絲202。實驗證明，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，因此通過設(shè)計不同尺寸的人造微結(jié)構(gòu)2在超材料片層上的排布，就可以實現(xiàn)超材料10的電磁參數(shù)的不規(guī)則分布，進而實現(xiàn)平行入射的電磁波的漫反射出射。圖3所示為本發(fā)明的漫反射裝置所采用的超材料10的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例中超材料10包括表面平滑的片狀的基板1，在基板I上附著有多個不同拓撲結(jié)構(gòu)和幾何尺寸的人造微結(jié)構(gòu)2，使得本實施的超材料10的每個超材料單元4的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率不規(guī)則分布。在本實施例中人造微結(jié)構(gòu)2可以包括具有對電場響應(yīng)的多種拓撲結(jié)構(gòu)，如“工”字形、“十”字形或“H”形以及其衍生結(jié)構(gòu)，圖4所示實施例是“工”字形的人造微結(jié)構(gòu)2的衍生，其人造微結(jié)構(gòu)2不僅包括構(gòu)成“工”字形的第一金屬絲201和第二金 屬絲202，還包括分別連接在第二金屬絲202兩端且垂直于第二金屬絲202的第三金屬絲203。圖5所示實施例則是圖4的人造微結(jié)構(gòu)2的進一步衍生，其人造微結(jié)構(gòu)2在圖4的基礎(chǔ)上還包括分別連接在第三金屬絲203兩端且垂直于第三金屬絲203的第四金屬絲204。依此類推，本發(fā)明的對電場響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)2還有無窮多個。第二金屬絲202的長度小于第一金屬絲201，第三金屬絲203的長度小于第二金屬絲202，第四金屬絲204的長度小于第三金屬絲203，依此類推。同樣，本實施例中人造微結(jié)構(gòu)2也可以采用具有對磁場響應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)，如帶有缺口的多邊形或帶有缺口的環(huán)形等。當(dāng)然，對磁場響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)2還有很多種，本文不再列舉。圖6所示的人造微結(jié)構(gòu)是“T”形金屬絲601和一邊設(shè)置有開口的彎折金屬絲602的疊加，其中“T”形金屬601絲能夠?qū)﹄妶霎a(chǎn)生響應(yīng)，而彎折金屬絲602能夠?qū)Υ艌霎a(chǎn)生相應(yīng)，通過調(diào)整“T”形金屬絲601和彎折金屬絲602的尺寸和相對位置，可調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)2對入射電場和入射磁場的響應(yīng)從而調(diào)節(jié)超材料整體的相對介電常數(shù)e和相對磁導(dǎo)率y，使超材料10的電磁參數(shù)不規(guī)則分布，進而實現(xiàn)電磁波的漫反射。具體實施時，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)計好合適的人造微結(jié)構(gòu)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)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)?；錓由高分子聚合物、陶瓷材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。以上所述是本發(fā)明的具體實施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，包括超材料和設(shè)置于所述超材料一側(cè)表面上的反射層，所述超材料包括片狀的基板和附著在所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述基板分成若干晶格，所述人造微結(jié)構(gòu)置于所述晶格中，每一晶格與其上的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個超材料單元，每個超材料單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率不規(guī)則分布。
2.如權(quán)利要求I所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，所述片狀的基板上不規(guī)則分布有多個拓撲結(jié)構(gòu)相同且?guī)缀纬叽绮煌娜嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，每個所述人造微結(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所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
5.如權(quán)利要求I或2所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4復(fù)合材料或F46復(fù)合材料制得。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)具有對電場響應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形、“十”字形或“H”形。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)具有對磁場響應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為帶有缺口的多邊形或帶有缺口的環(huán)形。
10.如權(quán)利要求I所述的基于超材料的漫反射裝置，其特征在于，所述反射層由金屬材料制成。
全文摘要
本發(fā)明實施例涉及一種基于超材料的漫反射裝置，包括超材料和設(shè)置于所述超材料一側(cè)表面上的反射層，所述超材料包括片狀的基板和附著在所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述基板分成若干晶格，所述人造微結(jié)構(gòu)置于所述晶格中，每一晶格與其上的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個超材料單元，每個超材料單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率不規(guī)則分布。本發(fā)明的漫反射裝置通過統(tǒng)計方法設(shè)計超材料的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸，使得超材料每一點的電磁參數(shù)不規(guī)則分布，進而實現(xiàn)入射電磁波的漫反射，該裝置表面平滑且厚度較薄。
文檔編號H01Q15/00GK102751580SQ20111009937
公開日2012年10月24日 申請日期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, 徐冠雄 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