本發(fā)明涉及一種吸波材料，尤其涉及一種基于表面等離子體激元的吸波材料。

背景技術：
當電磁波輻射到導體或介質(zhì)的界面時，導體中的自由電子與電磁波相互作用，導致自由電子濃度漲落。當入射電磁波的頻率與引起自由電子集體振蕩的頻率一致時，便會在導體表面?zhèn)鞑ゾ哂歇毺匦再|(zhì)的表面等離子體激元(SurfacePlasmonsPloaritons-SPPs)。在SPPs模式下，電子的振動動能通過電子和中性粒子之間的不斷碰撞轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而不可逆的吸收入射電磁波的能量，形成吸波效應。但是由于SPPs是沿著導體或介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，因此要求在垂直于導體或介質(zhì)界面方向上必須存在電場分量，所以僅僅有TM極化(垂直極化)電磁波能在導體或介質(zhì)界面處激發(fā)SPPs，而TE極化(水平極化)或其他極化方式的電磁波則不行。而在實際應用中，各種極化的波均存在，SPPs的上述性質(zhì)大大限制了其應用環(huán)境。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的上述不足，提出一種將各種極化電磁波轉(zhuǎn)換為TM極化電磁波，使得空間中各種電磁波均能有效被吸收的基于表面等離子體激元的吸波材料。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是，提出一種基于表面等離子體激元的吸波材料，其包括能將電磁波轉(zhuǎn)換為垂直極化電磁波的超材料以及能產(chǎn)生表面等離子體激元效應的金屬光柵；所述超材料由多片超材料片層構(gòu)成，每一超材料片層包括基材以及周期排布于基材上的多個人造金屬微結(jié)構(gòu)；電磁波的電場矢量在于電磁波入射方向垂直的平面上分解成兩個不為零的正交分量，所述兩個正交分量分別與所述人造金屬微結(jié)構(gòu)所處位置的光軸平行和垂直，所述電磁波穿過所述超材料后，所述兩個正交分量具有與入射前不同的相位差Δθ。進一步地，所述人造金屬微結(jié)構(gòu)呈各向異性，所述超材料片層的折射率分布均勻，所述人造金屬微結(jié)構(gòu)所在平面垂直于所述電磁波入射方向。進一步地，所述相位差Δθ＝(k1-k2)*d，其中，ω為所述電磁波的頻率；ε1、μ1分別為所述超材料在所述兩個正交分量中其中一個分量方向上的介電常數(shù)和磁導率，ε2、μ2分別為所述超材料在所述兩個正交分量中另一個分量方向上的介電常數(shù)和磁導率；d為所述超材料的厚度。進一步地，所述相位差Δθ＝Kπ，其中K為整數(shù)。進一步地，所述人造金屬微結(jié)構(gòu)的光軸方向與所述電磁波的電場矢量方向呈45度夾角。進一步地，所述人造金屬微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)。進一步地，所述拓撲結(jié)構(gòu)呈二維雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線及第二主線，所述第一主線的兩端垂直設置有兩個第一支線，所述第二主線的兩端垂直設置有兩個第二支線。進一步地，所述第一主線及第二主線相互平分，所述兩個第一支線的中心連接在第一主線上，所述兩個第二支線的中心連接在第二主線上。進一步地，所述入射電磁波的電場矢量的兩個正交分量分解在第一主線與第二主線所在的直線上。進一步地，所述入射電磁波的電場矢量方向與第一主線呈45度夾角。進一步地，所述金屬光柵為矩形金屬光柵。本發(fā)明通過在能激發(fā)表面等離子體激元效應以吸收電磁波的金屬光柵前增設超材料，超材料能方便的將電磁波轉(zhuǎn)換為垂直極化電磁波，增大了金屬光柵響應電磁波的類型，擴大其使用范圍。同時超材料結(jié)構(gòu)簡單，電磁參數(shù)調(diào)節(jié)方便，能進一步擴大本發(fā)明吸波材料的使用范圍。附圖說明圖1為本發(fā)明中構(gòu)成超材料的基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明吸波材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明超材料的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明極化轉(zhuǎn)換的示意圖；圖5為本發(fā)明超材料一較佳實施例中人造金屬微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖5所示拓撲結(jié)構(gòu)示意圖衍生得到的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為圖5所示拓撲結(jié)構(gòu)示意圖變形的到的一個拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖5所示拓撲結(jié)構(gòu)示意圖變形得到的另一個拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明具體實施方式。光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數(shù)，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節(jié)參數(shù)來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結(jié)構(gòu)對電磁波的響應也可以用材料的整體參數(shù)，例如介電常數(shù)ε和磁導率μ來描述。通過設計材料每點的結(jié)構(gòu)使得材料各點的介電常數(shù)和磁導率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數(shù)和磁導率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導率和介電常數(shù)即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波等。該類具有規(guī)律排布的磁導率和介電常數(shù)的材料我們稱之為超材料。如圖1所示，圖1為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。超材料的基本單元包括人造微結(jié)構(gòu)2以及該人造微結(jié)構(gòu)附著的基材1。本發(fā)明中，人造微結(jié)構(gòu)為人造金屬微結(jié)構(gòu)，人造金屬微結(jié)構(gòu)具有能對入射電磁波電場和/或磁場產(chǎn)生響應的平面或立體拓撲結(jié)構(gòu)，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)的圖案和/或尺寸即可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。本發(fā)明中，人造微結(jié)構(gòu)2上還覆蓋有覆蓋層3，覆蓋層3、人造微結(jié)構(gòu)2以及基材1構(gòu)成本發(fā)明超材料的基本單元。多個超材料基本單元按一定規(guī)律排列即可使得超材料對電磁波具有宏觀的響應。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續(xù)響應，這要求每一超材料基本單元的尺寸小于入射電磁波波長的五分之一，優(yōu)選為入射電磁波波長的十分之一。本段描述中，我們?nèi)藶榈膶⒊牧险w劃分為多個超材料基本單元，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排布于基材上即可構(gòu)成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述我們?nèi)藶閯澐值母鱾€超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)能對入射電磁波產(chǎn)生連續(xù)的電磁響應。如圖2所示，圖2為本發(fā)明基于表面等離子體激元的吸波材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中，吸波材料包括能激發(fā)出表面等離子體激元效應的金屬光柵10以及超材料20。超材料20將電磁波轉(zhuǎn)換為TM極化的電磁波，使得金屬光柵10能夠有效吸收各種極化方式的電磁波。TM極化和TE極化電磁波通過如下方式定義：在三維空間，沿Z軸方向傳播的電磁波，其瞬時電場可寫為：其中Exm及Eym分別為電場在X軸及Y軸方向上的幅值，w為電磁波波動的角頻率，θx及θy分別為X軸方向及Y軸方向的兩個分量的相位。若與的相位差為nπ，(n＝1，2，3，...)，則合成矢量的模為：這是一個隨時間變化而變化的量，合成矢量的相位θ為：θ＝tg-1(Ey/Ex)＝tg-1(Eym/Exm)，合成矢量的相位為常數(shù)?？梢姾铣墒噶康亩它c的軌跡為一條直線。與傳播方向構(gòu)成的平面稱為極化面，當極化面與地面平行時，為水平極化，該電磁波為TE極化電磁波；當極化面與地面垂直時，為垂直極化，該電磁波為TM極化電磁波。如圖3所示，圖3為本發(fā)明中超材料20的立體結(jié)構(gòu)示意圖。吸波材料20由多片超材料片層200構(gòu)成，每層超材料片層200包括基材201以及周期排布于基材201上的多個人造金屬微結(jié)構(gòu)202。圖3中，超材料20上方的箭頭表示入射電磁波，下方的箭頭表示出射電磁波，由圖3可知，電磁波是垂直于人造金屬微結(jié)構(gòu)202所在平面入射。圖3中，超材料20由6片超材料片層200構(gòu)成，通過控制超材料片層200的層數(shù)從而影響超材料整體的厚度，進而獲得所需的相位差，實現(xiàn)將各種極化的電磁波轉(zhuǎn)換為垂直極化的電磁波。每層超材料片層200上的折射率分布均勻，此處的分布均勻是指超材料片層200上的每個超材料基本單元的折射率相同，由于電磁波垂直入射，因此出射時電磁波的傳播方向不發(fā)生改變。人造金屬微結(jié)構(gòu)202為各向異性的人造金屬微結(jié)構(gòu)。入射電磁波的電場矢量在人造金屬微結(jié)構(gòu)202所處的平面分解成兩個不為零的正交分量，兩個分量分別平行和垂直于人造金屬微結(jié)構(gòu)所處位置的光軸，此處的光軸是指人造金屬微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的長軸，此處的折射率橢球指的是每一人造金屬微結(jié)構(gòu)的折射率的空間分布；光軸與電磁波的電場矢量方向的夾角不為0，則電場矢量在垂直于電磁波的入射方向的平面內(nèi)分解成的兩個正交分量都不為0。在電磁波穿過超材料20后，兩個正交分量具有與入射前不同的相位差Δθ，Δθ＝(k1-k2)*d，從而實現(xiàn)上述電磁波極化方式的相互轉(zhuǎn)換，其中，ω為電磁波的頻率；ε1、μ1分別為所述超材料單元在所述兩個正交分量中其中一個分量方向上的介電常數(shù)和磁導率，ε2、μ2分別為所述超材料單元在所述兩個正交分量中另一個分量方向上的介電常數(shù)和磁導率。d為超材料的厚度。能對入射電磁波的電場矢量的兩個正交分量均有電響應的人造金屬微結(jié)構(gòu)對實現(xiàn)超材料功能尤為重要。這要求人造金屬微結(jié)構(gòu)為各向異性的人造金屬微結(jié)構(gòu)，各向異性即指人造金屬微結(jié)構(gòu)所在的超材料基本單元的電磁參數(shù)并不是每點均相同。具體在人造金屬微結(jié)構(gòu)的拓撲圖案的表現(xiàn)為：人造金屬微結(jié)構(gòu)的的圖案為一非90度旋轉(zhuǎn)對稱圖形，非90度旋轉(zhuǎn)對稱圖形是90度旋轉(zhuǎn)對稱的相對概念，所謂90度旋轉(zhuǎn)對稱是指，一圖形沿其對稱中心向任意方向旋轉(zhuǎn)90度后都與原圖形重合，具有此圖形的金屬微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元格表現(xiàn)出各向同性(即單元格空間內(nèi)的電磁參數(shù)每點都相同)。反之，具有非90度旋轉(zhuǎn)對稱的圖形的金屬微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元格則表現(xiàn)為各向異性(即單元格空間內(nèi)并不是每點的電磁參數(shù)張量均相同)。金屬微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元格若表現(xiàn)為各向異性，則會影響通過其中的電磁波的電場矢量，使得電磁波通過每一個單元格時，兩個正交分量都會受到影響，只是由于人造微結(jié)構(gòu)具有各向異性的電磁特性，兩個正交分量受到的影響不一樣，即兩個正交分量的振動會有快有慢，因此兩個正交分量產(chǎn)生了相位差的變化，而在電磁波離開超材料轉(zhuǎn)換器時，其經(jīng)過了多個單元格，相位差得到累加，若最終相位差Δθ不等于入射前的相位差，則兩個正交分量的合成后的電場矢量(出射電磁波的電場矢量)將相對于入射前發(fā)生了極化特性的改變，實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換。如圖4所示，圖4為本發(fā)明電磁波極化轉(zhuǎn)換的示意圖(在x軸與y軸構(gòu)成的平面內(nèi))，若定義電磁波的傳播方向為三維直角坐標系中的z軸(垂直于人造金屬微結(jié)構(gòu)所在表面)，則由電磁波的基本原理可知，電場矢量E在x與y軸所構(gòu)成的平面內(nèi)，假定入射的電磁波的電場矢量為Er，其兩個正交分量為E1r與E2r；離開超材料時電磁波的電場矢量為Ec，其兩個正交分量為E1c與E2c；其中E1r表示沿光軸方向的分量，E2r則表示另一個分量，E1c與E2c分別為E1r與E2r出射時的兩個分量；此處，Ec假定為電磁波離開超材料的電場矢量只是為了方便描述，因為電磁波離開超材料后，其不再受到人造金屬微結(jié)構(gòu)的影響，其極化特性已經(jīng)穩(wěn)定。假設電磁波在未入射之前Er與E1r的夾角為a，且穿過超材料后，電磁波的電場矢量Ec的分量E1c與E1r完全重合，Ec與E1c的夾角為b，下面詳細描述本發(fā)明中任意極化電磁波向垂直極化電磁波極化轉(zhuǎn)換過程：當Δθ＝Kπ(K為整數(shù))，此時兩個正交分量E1c與E2c合成后得到的電場矢量Ec的相位為一常數(shù)，此時首先實現(xiàn)了任意極化狀態(tài)的電磁波到線極化電磁波(包括水平極化和垂直極化)的轉(zhuǎn)換；如圖8所示，假設其表示的任意夾角的水平極化電磁波向垂直極化電磁波的轉(zhuǎn)換，則由于E1c與E2c相位差為Kπ，E2c在如圖8所示的位置上，根據(jù)幾何原理，合成后的Ec與Er的模相等，只是Ec相對于Er在x與y軸所構(gòu)成的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)了(a+b)的角度，由幾何原理同樣可得，a＝b，即Ec相對于Er在x與y軸所構(gòu)成的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)了2a的角度，若人造微結(jié)構(gòu)的光軸方向與電場矢量的方向呈45度夾角(即a＝45度)，即Er與E1r的夾角為45度，則經(jīng)過此種超材料后，Ec相對于Er在x與y軸所構(gòu)成的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)了90的角度，則此種結(jié)構(gòu)的超材料可以實現(xiàn)了水平極化向垂直極化的極化轉(zhuǎn)換。通過改變金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布，即可改變超材料空間中每一基本單元的電磁參數(shù)ε和μ，從而改變相應超材料單元的折射率n，因此通過合理計算可以得到想要的相位差Δθ，從而實現(xiàn)想要的極化轉(zhuǎn)換。至于怎么得到金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布，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，先確定Δθ的數(shù)值，根據(jù)此數(shù)值去設計超材料整體的電磁參數(shù)分布，再從整體出發(fā)計算出空間中每一基本單元的電磁參數(shù)分布，根據(jù)這每一基本單元的電磁參數(shù)來選擇相應的人造微結(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布(計算機中事先存放有多種金屬微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))。對每個基本單元的設計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定圖案的金屬微結(jié)構(gòu)，計算電磁參數(shù)，將得到的結(jié)果和想要的對比，對比再循環(huán)多次，一直到找到想要的電磁參數(shù)為止，若找到了，則完成了金屬微結(jié)構(gòu)的設計參數(shù)選擇；若沒找到，則換一種圖案的金屬微結(jié)構(gòu)，重復上面的循環(huán)，直到找到想要的電磁參數(shù)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需要的電磁參數(shù)的金屬微結(jié)構(gòu)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。下面詳細介紹幾種較優(yōu)選的人造金屬微結(jié)構(gòu)拓撲圖案。如圖5所示，圖5為各向異性的人造金屬微結(jié)構(gòu)的一較佳實施例的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。圖5中，金屬微結(jié)構(gòu)呈二維雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線21及第二主線22，第一主線21的兩端垂直設置有兩個第一支線23，第二主線的兩端垂直設置有兩個第二支線24。第一主線21及第二主線22相互平分，兩個第一支線23的中心連接在第一主線21上，兩個第二支線24的中心連接在第二主線22上。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。在這個實施例中，各向同性的情況為，在具備前特征外，金屬線同時還應當滿足以下兩個條件：1)第一主線與第二主線長度與寬度相同；2)第一分支與第二分支長度與寬度也相同；因此，只要不同時滿足上面的條件，則由上述圖案的金屬微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為各向異性。在本實施例中，入射電磁波的電場矢量的兩個正交分量分解在第一主線21與第二主線22所在的直線上，即第一主線21與第二主線22中的一條的方向為光軸的方向。這樣一來，電磁波的電場矢量的兩個正交分量一個是在第一主線21的直線方向，另外一個則在第二主線22的直線方向，使得金屬微結(jié)構(gòu)2對電磁波的兩個正交分量都有影響(電場響應)，這種影響經(jīng)過一定時間疊加后，則會使電磁波的電場矢量的兩個正交分量產(chǎn)生相位差的變化，從而使得兩個正交分量的合成矢量(出射電磁波的電場適量)發(fā)生改變，實現(xiàn)了電磁波的極化轉(zhuǎn)換。本發(fā)明需要使得任意極化狀態(tài)的電磁波轉(zhuǎn)換為線極化波中的垂直極化電磁波，其出射的電磁波的電場矢量的兩個分量的幅度相等以實現(xiàn)任意極化狀態(tài)的電磁波轉(zhuǎn)換為線極化波后同時實現(xiàn)線極化波中的水平極化電磁波轉(zhuǎn)換為垂直極化電磁波，此時，第一主線21與入射的電磁波的電場矢量呈45度夾角?？梢韵胂蟮?，人造金屬微結(jié)構(gòu)的拓撲圖案可以有多種，如圖6所示，圖6為圖5所示人造金屬微結(jié)構(gòu)拓撲圖案的衍生圖案，其在兩個第一支線和兩個第二支線的兩端均再加兩個支線，依此類推，還可以有很多其它的衍生圖案；圖7、圖8是圖5所示人造金屬微結(jié)構(gòu)拓撲圖案的變形圖案；另外還有很多變形圖案，在此不一一列舉，只要其滿足各向異性的要求即可。作為一個實施例，金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或粒子刻的方法附著在基材201上。本發(fā)明的基材201可以由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得，還可以由環(huán)氧樹脂或聚四氟乙烯制得。作為一個實施例，選用聚四氟乙烯來制成片狀基板。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(chǎn)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，作為金屬微結(jié)構(gòu)附著的基材是很好的選擇。作為一個實施例，金屬線為銅線或銀線，銅與銀的導電性能好，對電場的響應更加靈敏。在超材料將入射電磁波轉(zhuǎn)換為TM波后，金屬光柵10對應入射電磁波激發(fā)出表面等離子體激元效應以吸收電磁波。金屬光柵為矩形光柵，其高度為D，槽深d，占空比為L/(L+H)。本實施例中，矩形光柵高度D為13-16毫米，槽深d為8.3-9.2毫米，槽寬為12毫米，占空比為0.5。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(nèi)。